Устройство соединения колонны штанг с наземным приводом
DEVICE FOR CONNECTING ROD STRING WITH GROUND DRIVE

Предложение относится к нефтегазодобывающей промышленности и может быть использовано при эксплуатации штанговых скважинных насосных установок, в частности в качестве траверсы (узла соединения) устьевого штока наземного привода.
Известна канатная подвеска устьевого штока (патент на ПМ RU № 193036, МПК F04B 47/02, опубл. 11.10.2019. Бюл. № 29), включающая верхнюю и нижнюю траверсы, узел подвески полированного штока, размещенный на верхней траверсе, имеющей торцевые проточки под канат и кольцевые выборки под верхние торцы соответствующих узлов подвески каната, содержащих внутреннюю конусную поверхность под соответствующие втулки и вставленных в нижнюю траверсу с возможностью вращения, причем нижняя траверса с двух торцов снабжена съемными стопорами, выполненными с возможностью охвата соответствующих нижних частей узлов подвески каната с фиксацией их от продольного перемещения, при этом каждый узел подвески каната между траверсами снабжен плоскостями под инструментальные стандартные или разводные ключи.
Недостатками данной подвески являются низкая надежность и высокая вероятность загиба полированного штока, связанные с креплением полированного штока в верхней траверсе только клиновыми зажимами в узле подвески, которые при зависании (застревании) колонны штанг или плунжера в скважине особенно при ходе вниз подвески вылетают, освобождая верх полированного штока, который при столкновении и с головкой станка-качалки изгибает полированный шток выше устья скважины, при этом при смене направления движения наземного привода резко возрастают нагрузи на подвеску, что приводит при жестком соединении к ее быстрому выходу из строя.
Известен демпфер динамических нагрузок (патент на ПМ RU № 140288, МПК F04B 47/02, E21B 43/00, опубл. 10.05.2014. Бюл. № 13), размещенный на верхней траверсе канатной подвески полированного штока, содержащий установленный внутри корпуса упругий элемент из эластомерного материала, охватывающий полированный шток, и клиновой зажим, установленный над демпфером на полированном штоке, причем упругий элемент демпфера выполнен, по меньшей мере, из двух элементов дискообразной формы, охватывающих полированный шток, при этом, по меньшей мере, один из упругих дискообразных элементов выполнен из материала, упругие характеристики которого отличаются от упругих характеристик материала другого упругого элемента, нижний относительно верхней траверсы упругий элемент демпфера взаимодействует с жесткой опорной пластиной, установленной на опорной втулке, взаимодействующей своим нижним концом с верхней траверсой, которые охватывают полированный шток, корпус демпфера выполнен в виде стакана с отверстием в его дне для прохождения через него полированного штока, а клиновой зажим размещен с внешней стороны дна корпуса демпфера.
Недостатками данной подвески являются низкая надежность и высокая вероятность повреждения полированного штока, связанные с креплением полированного штока в верхней траверсе только коническими клиньями, поджатыми резьбовой муфтой, при ослаблении которой при зависании (застревании) колонны штанг или плунжера в скважине скользят по ее поверхности царапая и выводя из строя полированную поверхность штока при ходе вниз.
Наиболее близким по технической сущности является гидравлический привод штангового глубинного насоса (патент RU № 2740545, МПК F04B 47/04, опубл. 15.01.2021. Бюл. № 2), включающий зафиксированный на устье цилиндр, оснащенный поршнем, шток которого направлен вверх и соединен сверху через тягу и траверсу с полированным штоком колонны штанг глубинного насоса, емкость с гидравлической жидкостью и нагнетательный гидравлический насос, сообщенный входом с емкостью, причем верхняя и нижняя полости цилиндра снабжены подводящими верхним и нижним патрубками, соответственно, один из которых последовательно сообщен через гидрораспределитель с нагнетательным насосом и через слив с емкостью, а другой - через слив с емкостью и нагнетательным насосом, причем цилиндр выполнен с возможностью фиксации на устьевой арматуре, тяга изготовлена жесткой, состоящей из верхнего переходника и технологического удлинителя, расположенного над траверсой соосно полированному штоку и жестко соединенного сверху с переходником, при этом цилиндр снабжен как минимум одной направляющей, охватывающей с возможностью продольного перемещения удлинитель или полированный шток.
Этот привод додержит траверсу, включающую нижнюю траверсу, соединённую соосно с верхом полированного штока колонны штанг с возможностью продольного перемещения вверх, верхнюю траверсу, соединённую соосно с тягой привода с возможностью продольного перемещения вниз, и боковыми продольными штоками соединенными жестко соответствующими концами с верхней и нижней траверсами.
Недостатками данной траверсы являются низкая надежность и высокая вероятность загиба полированного штока, связанные с креплением полированного штока в верхней траверсе с возможностью продольного перемещения вверх, что при зависании (застревании) колонны штанг или плунжера в скважине при ходе вниз тяги привода и при столкновении ее и верхом полированного штока изгибает полированный шток выше устья скважины, так как нет возможности отключения привода при этом, также при смене направления движения привода резко возрастают нагрузи на траверсы, что приводит при жестком соединении к быстрому выходу их из строя.
Технической задачей является создание надежной конструкции устройства соединения колонны штанг с наземным приводом, позволяющей исключить загибание полированного штока при зависании колонны штанг и снизить нагрузку при смене направления движения привода за счет фиксации сверху полированного штока в полой втулке и применения демпферов между верхней траверсой и штоками и демпфера с датчиком между нижней траверсой и полой втулкой для контроля нагрузки и отключения привода при резком снижении нагрузки.
Техническая задача решается устройством соединения колонны штанг с наземным приводом, включающим нижнюю траверсу, соединённую соосно с верхом полированного штока колонны штанг с возможностью продольного перемещения вверх, верхнюю траверсу, соединённую соосно с тягой привода с возможностью продольного перемещения вниз, и боковыми продольными штоками, соединенными соответствующими концами с верхней и нижней траверсами.
Новым является то, что полированный шток соединен с нижней траверсой при помощи полой втулки с внутренней конусной поверхностью, сужающейся сверху-вниз, под клинья, фиксирующие верх полированного штока, и внутренней резьбой сверху под установочную гайку, опирающуюся сверху на торец полированного штока, между полой втулкой и нижней траверсой установлен упругий демпфер с датчиком нагрузки, который функционально связан с блоком управления привода, а конец каждого штока оснащен соответственно верхним и нижним упорами, расположенными соответственно сверху верхней и снизу нижней траверс, в которые штоки вставлены с возможностью ограниченного упорами продольного перемещения, при этом между верхним упором каждого штока и верхней траверсой установлен упругий демпфер.
Новым является также то, что установочная гайка сверху оснащена упругой насадкой для смягчения взаимодействия с тягой привода.
Новым является также то, что устройство снаружи снабжено цилиндрическим кожухом, соединённым с верхней траверсой, для защиты конструктивных элементов от внешних факторов.
На фиг. 1 изображено устройство сбоку.
На фиг. 2 изображен разрез А-А фиг. 1.
На фиг. 3 изображено устройство в изометрии.
На фиг. 4 изображено устройство в изометрии с защитным кожухом.
Устройство соединения колонны штанг при помощи полированного штока 1 (фиг. 1-4) с наземным приводом (не показан) включает нижнюю траверсу 2, соединённую соосно с верхом полированного штока 1 колонны штанг с возможностью продольного перемещения вверх, верхнюю траверсу 3, соединённую соосно с тягой 4 (фиг. 2-4) привода с возможностью продольного перемещения вниз, и боковыми продольными штоками 5 (фиг. 1-4) соединенными соответствующими концами с верхней 3 и нижней 2 траверсами. Полированный шток 1 (фиг. 2) соединен с нижней траверсой 2 при помощи полой втулки 6 с внутренней конусной поверхностью 7, сужающейся сверху-вниз, под клинья 8, фиксирующие верх полированного штока 1. Полая втулка 6 снабжена также внутренней резьбой 9 сверху под установочную гайку 10, опирающуюся сверху на торец полированного штока 1. Между полой втулкой 6 и нижней траверсой 2 установлен упругий демпфер 11 с датчиком нагрузки (например, пьезоэлектрический датчик не показан), который функционально связан с блоком управления привода. Конец каждого штока 5 оснащен соответственно верхним 12 и нижним 13 упорами, расположенными соответственно сверху верхней 3 и снизу нижней 2 траверс. В траверсы 2 и 3 штоки 5 вставлены с возможностью ограниченного упорами 12 и 13 продольного перемещения. Между верхним упором 12 каждого штока 5 и верхней траверсой 3 установлен упругий демпфер 14. Демпфер 11 и демпферы 14 могут быть изготовлены в виде упругой резины, полиуретана, наборных пружинных дисков или т.п. с наружным кожухом или без него - авторы на это не претендуют.
Датчик нагрузки демпфера 11 (фиг. 3) при помощи кабельной, радио- или GSM-связи (авторы на это не претендуют) соединяют с блоком управления (не показан) привода. При резком снижении нагрузки на датчике при ходе вниз устройства с полированным штоком 1, что свидетельствует о зависании колонны штанг, блок управления работу привода останавливает до устранения причины зависания колонны штанг.
При использовании при использовании штанговых скважинных насосных установок в наклонных скважинах или в скважинах со сложным стволом, где высока вероятность зависания колонны штанг, то установочную гайку 10 (фиг. 2) сверху рекомендуется оснастить упругой насадкой 15 (резиновой, полиуретановой, алюминиевой или т.п.) для смягчения в случае взаимодействия с тягой 4 привода.
При работе устройства в условиях постоянных пыльных или снежных бурь, которые могут повлиять на долговечность и работоспособность устройства, или для защиты от случайного попадания конечностей обслуживающего персонала между движущимися конструктивными элементами устройство может быть снаружи снабжено цилиндрическим кожухом 16 (фиг. 4), соединённым с верхней траверсой 3, например, при помощи болтов 17 с гайками 18, вставляемых в отверстия 19 (фиг. 3) верхней траверсы 3.
Конструктивные элементы и технологические соединения, не влияющие на работоспособность устройства, на чертежах (фиг. 1-4) не показаны или показаны условно.
Устройство работает следующим образом.
Перед запуском в работу устройство собирают. Для этого наземный привод устанавливают у устья скважины (не показаны) так, чтобы тяга 4 (фиг. 2) привода была как можно более сосна полированному штоку 1. Низ тяги 4 крепят в верхней траверсе 3 по ее оси. На верхнюю часть полированного штока 1 последовательно надевают соосно нижнюю траверсу 2, демпфер 11 с датчиком нагрузки и полую втулку 6. Внутрь полой втулки 6 вокруг полированного штока 1 равномерно по периметру вставляют клинья 8, и полую втулку 6 приподнимают, при этом клинья 8, взаимодействуя внутренней конусной поверхностью 7, фиксируют верх полированного штока 1 в полой втулке 6. По внутренней резьбе 9 вкручивают в полую втулку 6 установочную гайку 10 до ее опоры сверху на торец полированного штока 1, исключая выскакивания полированного штока 1 из полой втулки 6 при любых нагрузках. При необходимости сверху на установочную гайку 10 устанавливают упругую насадку 15. В прорези (не показаны) или в отверстия 20 вставляют штоки 5 с демпферами 14 так, чтобы их нижний упор 13 оказался ниже нижней траверсы 2, верхний упор 12 - выше верхней траверсы 3, а демпфер 14 между верхним упором 12 и верхней траверсой 3. Для удобства сборки и настройки штоки 5 с упорами 12 и 13 могут быть изготовлены разборными, например, в виде болта с гайкой, где гайка и головка болта играют роль верхнего 12 и нижнего 13 упоров, а тело болта - штока 5, или шпильки с гайками по краям (не показано), где гайки играют роль верхнего 12 и нижнего 13 упоров, а тело шпилька - штока 5, или т.п. - авторы на это не претендуют. В результате устройство готово к работе фиг. 3. При необходимости установки цилиндрического кожуха 16 (фиг. 4) его располагают снаружи устройства и крепят при помощи, например, болтов 17 с гайками 18, вставляемых в отверстия 19 (фиг. 3) верхней траверсы 3.
После сборки устройства тягу 4 соединяют с подвижным элементом (балансир, каретка или т.п. - не показано) наземного привода, а датчик нагрузки демпфера 11 (фиг. 3) при помощи кабельной или беспроводной связи соединяют с блоком управления привода. После чего привод запускают в работу, и тяга 4 передает возвратно-поступательное движение через устройство полированному штоку 1. При ходе вниз устройства полированный шток 1 идёт вниз под весом колонны штанг (за минусом силы трения колонны штанг о стенки скважины), к которым прикреплен, а демпфер 11 и демпферы 14 не сильно сжаты. При переходе от перемещения вниз к перемещению вверх (нижняя мертвая точка) нагрузка на полированный шток 1 резко возрастает, так как на нее дополнительно начинает дополнительно действовать столб жидкости над плунжером (не показан) скважинной насосной установки и сопротивление, вызванное трением плунжера о стенки цилиндра (не показан) и колонны штанг о стенки ствола скважины. При этом демпфер 11 и демпферы 14 сжимаются пропорционально увеличению нагрузки и полностью исключают ударные нагрузки полой втулки 6 о нижнюю траверсу 2 и верхних упоров 12 о верхнюю траверсу 3 соответственно. После чего полированный шток 1 вместе с устройством и тягой 4 идет вверх до верхней мертвой точки, где нагрузка на полированный шток 1 резко падает до веса весом колонны штанг (за минусом силы трения колонны штанг о стенки скважины), при этом демпфер 11 и демпферы 14 разжимаются, также нивелируя резкость переходного процесса в нижней 2 и верхней 3 траверсах соответственно. Далее циклы возвратно-поступательного перемещения тяги 4, устройства и полированного штока 1 повторяются.
Если сила трения колонны штанг о стенки скважины окажется больше веса самой колонны штанг (зависание колонны штанг), то движения вниз после верхней мертвой точки полированного штока 1 вниз не будет, что сразу покажет датчик нагрузки демпфера 11 резким снижением нагрузки практически до нуля. Получив такой сигнал, блок управления остановит работу наземного привода. Однако из-за большой инерционности элементов приводи, благодаря их большой массе, их движение может продолжаться короткое время после отключения привода, что может привести к столкновению установочной гайки 10 и нижнего торца тяги 4, которое смягчается упругой насадки 15.
Предлагаемое устройство соединения колонны штанг с наземным приводом позволяет исключить загибание полированного штока при зависании колонны штанг и снизить нагрузку при смене направления движения привода за счет фиксации сверху полированного штока в полой втулке и применения демпферов между верхней траверсой и штоками и демпфера с датчиком между нижней траверсой и полой втулкой для контроля нагрузки и отключения привода при резком снижении нагрузки.