ПРИВОД ШТАНГОВОГО СКВАЖИННОГО НАСОСА
WELL BOTTOM-HOLE PUMP DRIVE

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности и может быть использовано в оборудовании для добычи нефти для создания возвратно-поступательного движения штангового скважинного насоса.
Известен привод штангового глубинного насоса, который содержит асинхронный электродвигатель, соединенную со штоком насоса систему преобразования вращения вала электродвигателя в возвратно-поступательное движение штока насоса, аккумулятор для утилизации энергии при движении штока насоса вниз (РФ, патент №2160852, F04B 45/02, 20.12.2000). Система преобразования вращения вала электродвигателя в возвратно-поступательное движение выполнена в виде цепной передачи. Аккумулятор энергии выполнен в виде маховика, соединенного с выходным валом электродвигателя.
Возможность использования энергии маховика, расположенного на быстроходном валу привода, снижает массу и размеры устройства. Однако сложность выполнения механических устройств реверса, наличие многочисленных трущихся узлов в системе преобразования вращения вала электродвигателя в возвратно-поступательное движение, существенно снижают надежность устройства.
Эти же недостатки характерны и для аналогичного по устройству привода длинноходового глубинного насоса (патент РФ №1321915, F04B 45/02, 07.07.1987).
Более совершенная система реверса применена в приводе скважинного насоса (патент РФ №2214534, F04B 45/02, 20.10.2003), в котором применены два асинхронных электродвигателя, связанных между собой электрически последовательным соединением статорных обмоток, а барабан имеет канавки с разным направлением навивки и канаты наматываются на канатный барабан с разных сторон относительно оси симметрии барабана. При закорачивании обмоток одного электродвигателя начинает работать другой двигатель, причем двигатели попеременно вращают барабан в разных направлениях (обеспечивают реверс барабана).
В данном приводе решается задача снижения металлоемкости при сохранении надежности на уровне балансирного станка-качалки. Недостатком данного привода является то, что не используется энергия, запасенная при подъеме груза, что существенно снижает энергоэффективность привода.
Наиболее близким к предлагаемому является привод скважинной насосной установки по патенту США №4601640 "Oil well pump", класс МПК F04B 49/00, опубл. 22 июля 1986 г. Установка предназначена для добычи нефти штанговым насосом и содержит привод, установленный на раме. Привод состоит из электродвигателя, редуктора и барабана, на котором закреплены первые концы двух канатов, направленных в разные стороны. При этом второй конец первого каната соединен с колонной штанг скважинного насоса, а второй конец второго каната соединен с противовесом, который уравновешивает силу веса колонны штанг.
Устройство реверса барабана, которое обеспечивает возвратно-поступательное движение штанг скважинного насоса, выполнено механическим. При спуске колонны штанг противовес поднимается, запасая, тем самым, потенциальную энергию при движении штока насоса вниз. Накопленная энергия используется при подъеме колонны штанг, снижая энергопотребление электродвигателя.
Учитывая, что в год механизм реверса совершает до 3 миллионов циклов переключений, выполнение устройства реверса барабана механическим снижает как его надежность, так и надежность привода в целом. Это является основным недостатком привода. Кроме того, наличие противовеса, который уравновешивает силу веса колонны штанг, имеющего большую массу (от 2 до 3 тонн), повышает металлоемкость известного привода.
Таким образом, выявленные в результате патентного поиска аналоги заявленного привода штангового скважинного насоса при осуществлении не обеспечивают достижение технического результата, заключающегося в повышении надежности и повышении эффективности использования электрической энергии при одновременном снижении металлоемкости и массы привода.
Предлагаемое изобретение решает задачу создания привода штангового скважинного насоса, осуществление которого обеспечивает достижение технического результата, в повышении надежности и повышении эффективности использования электрической энергии при одновременном снижении металлоемкости и массы привода.
Сущность заявленного изобретения состоит в том, что в приводе штангового скважинного насоса, содержащем раму с размещенными на ней и соединенными между собой муфтами асинхронным электродвигателем, редуктором и барабаном для намотки каната, который одним концом закреплен на барабане, а вторым концом соединен с штоком скважинного насоса, новым является то, что дополнительно введены программируемое многоканальное электронное устройство управления, частотный преобразователь, электромагнитный тормоз, взаимодействующий с асинхронным электродвигателем, накопитель электрической энергии, датчик движения барабана и датчик тока и напряжения, при этом программируемое многоканальное электронное устройство управления подключено к электромагнитному тормозу и к входу управления частотного преобразователя, который снабжен средством для подключения к внешнему потребителю электрической энергии, и подключен через датчик тока и напряжения к обмоткам электродвигателя, кроме того, устройство управления подключено к датчику тока и напряжения и датчику движения барабана. Кроме того: барабан выполнен многоручьевым с соответствующим количеством канатов от 2 до 8; канат выполнен стальным, плоским, с соотношением толщины и ширины в пределах от 1:4 до 1:10; частотный преобразователь выполнен одноконтурным; частотный преобразователь выполнен двухконтурным с возможностью рекуперации электроэнергии в питающую сеть; внешним потребителем электрической энергии является устройство для накопления электрической энергии; внешним потребителем электрической энергии является выпрямитель частотного преобразователя аналогично выполненного привода.
Существенные признаки формулы изобретения: «Привод штангового скважинного насоса, содержащий раму с размещенными на ней и соединенными между собой муфтами асинхронным электродвигателем, редуктором и барабаном для намотки каната, который одним концом закреплен на барабане, а вторым концом соединен с штоком скважинного насоса, …» являются неотъемлемой частью заявленного привода и обеспечивают его работоспособность, а следовательно, обеспечивают достижение заявленного технического результата.
Технический результат достигается следующим образом.
В заявленном приводе применена электронная система управления приводом, которая содержит дополнительно введенные многоканальное программируемое электронное устройство управления (далее - устройство управления), частотный преобразователь, электромагнитный тормоз, взаимодействующий с асинхронным электродвигателем. Частотный преобразователь может быть выполнен одноконтурным или двухконтурным с возможностью рекуперации электроэнергии в питающую сеть.
При этом устройство управления посредством частотного преобразователя изменяет режим работы электродвигателя: обеспечивает плавный реверс, скорость вращения вала, а также управляет процессом рекуперации электроэнергии, накопленной при подъеме штока скважинного насоса. Таким образом, в заявленном приводе реверс электродвигателя, а следовательно, реверс барабана, осуществляется не механическим способом, а электронным устройством управления. Это позволяет исключить характерные для механического реверса многочисленные трущиеся узлы в системе преобразования вращения вала электродвигателя в возвратно-поступательное движение штока насоса, что существенно повышает надежность заявленного привода.
Наличие электронной системы управления приводом позволяет применить для уравновешивания привода электродинамическое уравновешивание колонны штанг, которое заключается в создании уравновешивающего момента сил на асинхронном электродвигателе и соединенных с ним редукторе и барабане, на котором закреплен канат с подвешенной на нем колонной штанг скважинного насоса. При этом уравновешивающий момент сил формируется устройством управления, которое, управляя электромагнитным тормозом, обеспечивает останов и пуск электродвигателя. Как показала практика, предложенная электронная система уравновешивания при необходимости позволяет кратковременно удерживать колонну штанг даже в верхнем положении. При этом исключается используемый в прототипе для этой цели контргруз, имеющий большую массу (от 2 до 3 тонн), что существенно снижает массу привода, одновременно повышая его надежность.
В заявленном приводе асинхронный электродвигатель, редуктор и барабан для намотки каната соединены между собой муфтами. При этом один конец каната закреплен на барабане, а второй конец соединен с штоком скважинного насоса. В результате при движении штанг вниз часть потенциальной энергии поднятой колонны штанг и кинетической энергии движущихся штанг превращается в электрическую за счет перехода асинхронного электродвигателя в генераторный режим. Таким образом, при спуске колонны штанг в заявленном приводе осуществляется аккумуляция электрической энергии.
Благодаря тому, что частотный преобразователь снабжен средством для подключения к внешнему потребителю электрической энергии, ток, генерируемый при переходе асинхронного электродвигателя в генераторный режим, может быть использован в нескольких вариантах, обеспечивающих возможность повышения эффективности использования электрической энергии.
При выполнении частотного преобразователя одноконтурным генерируемый при спуске колонны штанг ток выпрямляется частотным преобразователем и накапливается в накопителе электрической энергии, например, в конденсаторе емкостью не менее 0,2 Ф. Затем при подъеме груза накопленная энергия преобразуется частотным преобразователем в переменный ток и используется электродвигателем.
При выполнении частотного преобразователя двухконтурным с возможностью рекуперации электроэнергии в питающую сеть, частотный преобразователь преобразует накопленную электрическую энергию в переменный ток более высокого напряжения, которую передает в питающую сеть для использования другими потребителями.
Кроме того, поскольку частотный преобразователь снабжен средством для подключения к выпрямителям частотных преобразователей аналогично выполненных приводов, то это позволяет постоянный ток, генерируемый одним приводом, преобразовывать частотным преобразователем другого, аналогично выполненного, привода в переменный ток и использовать для работы электродвигателя другого аналогичного привода, работающего одновременно с данным. В результате повышается эффективность использования электрической энергии при одновременной работе нескольких приводов, выполненных аналогично заявленному.
Дополнительное снижение массы и металлоемкости заявленного привода обеспечиваются также и за счет возможности уменьшения размера диаметра барабана для намотки каната. Для этого барабан может быть выполнен многоручьевым с соответствующим количеством канатов от 2 до 8, или канат может быть выполнен стальным, плоским, с соотношением толщины и ширины в пределах от 1:4 до 1:10.
В свою очередь, снижение диаметра барабана ведет к снижению требуемого крутящего момента при заданной нагрузке на канате. Это позволяет уменьшить (примерно на 50%) номинальную мощность электродвигателя, что снижает энергопотребление привода и повышает эффективность использования электроэнергии. При этом одновременно уменьшаются типоразмер редуктора и электродвигателя, что дополнительно снижает как металлоемкость электропривода, так и его массу, не снижая надежности.
Из вышеизложенного следует, что предлагаемый привод штангового скважинного насоса по сравнению с прототипом имеет более высокую надежность и эффективность использования электрической энергии с одновременным снижением металлоемкости и массы, благодаря использованию в системе уравновешивания привода и реверса, вместо механических узлов, электронной системы уравновешивания и электронной системы управления реверсом барабана.
Таким образом, из вышеизложенного следует, что предлагаемый привод штангового скважинного насоса при осуществлении обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в повышении надежности и повышении эффективности использования электрической энергии при одновременном снижении металлоемкости и массы привода.
На фиг.1 изображена структурная схема заявленного привода штангового скважинного насоса.
Заявленный привод штангового скважинного насоса содержит асинхронный электродвигатель 1, муфту упругую 2, редуктор двустороннего действия 3 (зубчатая передача), компенсирующую зубчатую муфту 4, барабан для намотки каната 5, канат стальной грузоподъемный плоский 6, траверсу 7, соединяющую канат 6 и приводимый в возвратно-поступательное движение шток 8 скважинного штангового насоса, электромагнитный тормоз 9, датчик 10 (электронно-цифровое устройство) для измерения тока и напряжения на обмотках электродвигателя 1, датчик 11 движения барабана 5, частотный преобразователь 12, электронное устройство управления 13, накопитель электрической энергии 14, например конденсатор, средство для подключения частотного преобразователя к внешнему потребителю электрической энергии, например выводы электрических проводов 15 с клеммами для подключения. Рама для размещения узлов привода не показана.
Асинхронный электродвигатель 1, редуктор 3 и барабан 5 для намотки каната 6 соединены между собой муфтами 2 и 4. Канат 6 одним концом закреплен на барабане 5, а вторым концом соединен с штоком 8 скважинного насоса. Электромагнитный тормоз 9 взаимодействует с асинхронным электродвигателем 1.
Программируемое многоканальное электронное устройство управления 13 подключено к электромагнитному тормозу 9 и к входу управления частотного преобразователя 12, который посредством выводов электрических проводов 15 с клеммами для подключения к внешнему потребителю электрической энергии подключен к накопителю электрической энергии 14 (конденсатор) и через датчик 10 тока и напряжения - к обмоткам электродвигателя 1. Кроме того, устройство управления подключено 13 к датчику 10 тока и напряжения и к датчику 11 движения барабана 5.
Многоканальное программируемое электронное устройство управления 13 представляет собой, например, многоканальный программируемый контроллер. Устройство управления 13 снимает показания датчиков 10, 11, контролирует режим работы привода и управляет работой привода и тормоза посредством частотного преобразователя 12 по заданной программе.
Программируемое многоканальное электронное устройство управления 13 может быть выполнено на основе серийного промышленного контроллера IFM.
Частотный преобразователь 12 может быть выполнен одноконтурным или двухконтурным с возможностью рекуперации электроэнергии в питающую сеть.
Поскольку частотный преобразователь снабжен средством 15 для подключения к внешнему потребителю электрической энергии, то это позволяет использовать дополнительную электрическую энергию, полученную при переходе электродвигателя в генераторный режим, для внешних потребителей. В заявленном приводе внешним потребителем электрической энергии являются устройство для накопления электрической энергии или выпрямитель частотного преобразователя аналогично выполненного привода.
Принцип действия специального высокоэффективного двухконтурного частотного преобразователя, используемого для возврата электроэнергии в сеть и для накопления в контуре постоянного тока, аналогичен описанному в патенте США №5449993 "Regenerative AC to DC converter" класс МПК H02P 3/14, 6/00 опубликовано 12.09.1995 г. Известный частотный преобразователь состоит из выпрямителя с шиной постоянного тока и контура преобразования частоты и напряжения. Для возможности рекуперации электроэнергии используется дополнительный контур преобразования, повышающий напряжение, генерируемое электромашиной, выше напряжения питающей сети. К шине постоянного тока могут подключаться различные внешние устройства, например, для заявленного привода: выводы 15 с клеммами для подключения к выпрямителям частотных преобразователей аналогичных приводов или к накопительному конденсатору 14.
Для реализации заявленного привода могут быть использованы частотный преобразователь с функцией рекуперации фирмы "Mitsubishi" или частотный преобразователь VACON с блоком конденсаторов фирмы FACON емкостью 0,2 Ф.
В электрической части привода может быть использован асинхронный электродвигатель мощностью 30 кВт, 380 В типа РДМ180LB4 с встроенным электромагнитным тормозом.
Датчик 11 движения барабана 5 может быть выполнен индуктивным и состоять из фиксатора оборотов, выполненного в виде металлической пластины, закрепленной на наружной поверхности щеки барабана напротив катушки индуктивности, закрепленной неподвижно на кронштейне, например, на раме. Выводы катушки индуктивности соединены с устройством управления 13.
Барабан 5 может быть выполнен многоручьевым с соответствующим количеством канатов от 2 до 8, диаметр каждого из которых в 2-3 раза меньше, чем при применении одного каната. Например, 8 канатов диаметром 9 мм вместо одного каната диаметром 25 мм. За счет малого диаметра каната 6 становится возможным снижение диаметра барабана 5, на который наматывается канат 6. Диаметр барабана 5 по стандарту должен быть не менее 19 диаметров каната 6 для обеспечения его долговечности.
Канат может быть выполнен стальным, плоским, с соотношением толщины и ширины в пределах от 1:4 до 1:10. Этому условию, например, соответствуют текстильные тяговые органы (текстропы), однако их применение в непрерывном режиме работы невозможно в большинстве нефтедобывающих районов России из-за низких температур.
Заявленный привод штангового скважинного насоса работает следующим образом.
Исходно при включении привода шток 8 насоса находится в верхней точке и удерживается электромагнитным тормозом 9, который формирует электромагнитное поле, препятствующее вращению вала электродвигателя. В результате колонна штанг кратковременно удерживается в верхнем положении системой электрического уравновешивания (электронное устройство управления 13, электромагнитный тормоз и частотный преобразователь 12). Затем устройство управления 13 отключает тормоз 9, ток удержания в электродвигателе 1 снижается и начинается опускание штанг со скоростью, контролируемой электронной системой управления «электронное устройство управления 13 - частотный преобразователь 12» и датчиками 10, 11. Стальной канат 6, соединенный с колонной штанг траверсой 7, сматывается с барабана 5, а барабан 5 через зубчатую муфту 4 приводит во вращение выходной вал редуктора 3. Редуктор 3 увеличивает частоту вращения и через упругую муфту 2 приводит во вращение вал электродвигателя 1. Электродвигатель 1 входит в генераторный режим, генерирует ток, который выпрямляется в частотном преобразователе 12. В результате, в зависимости от выполнения частотного преобразователя 12, часть потенциальной энергии поднятых штанг (30-50%) запасается в конденсаторе 14 в виде электрической энергии, либо передается по шине постоянного тока (контакты 15) частотному преобразователю другого аналогичного привода, либо преобразуется вторым контуром в повышенное напряжение и отдается в питающую сеть другим потребителям. В этом случае конденсатор 14 отключен.
При достижении штоком 8 насоса нижнего положения с датчика 11 поступает сигнал в электронное устройство управления 13, которое переключает работу привода на подъем. При выполнении частотного преобразователя одноконтурным, без дополнительного контура рекуперации электроэнергии в питающую сеть, запасенная в конденсаторе 14 электрическая энергия преобразуется частотным преобразователем 12 в переменный ток и расходуется электродвигателем 1 вместе с энергией питающей сети на подъем штанг до достижения верхней точки, что фиксирует датчик 11. Далее процесс повторяется.
В случае, если выпрямитель частотного преобразователя снабжен средством для подключения к выпрямителям частотных преобразователей аналогичных приводов, например, в виде выводов электрических проводов 15 с клеммами для подключения, то предлагаемый привод позволяет обмениваться запасенной электроэнергией между аналогичными приводами, работающими в данный момент времени. Например, при одновременной эксплуатации нескольких приводов на одной площадке (в кусте) линии постоянного тока выпрямителей соединяют параллельно, что обеспечивает возможность обмена запасенной электроэнергией между аналогичными приводами работающими в данный момент времени на подъем и работающими на опускание. Это повышает эффективность использования электроэнергии, и, кроме того, позволяет существенно уменьшить емкость конденсатора 14, что снижает массу привода вцелом.
При использовании двухконтурного частотного преобразователя, выполненного с возможностью рекуперации электроэнергии в питающую сеть, при наличии выводов электрических проводов 15 с клеммами для подключения, также обеспечивается возможность обмена электроэнергией.