УСТРОЙСТВО ДЛЯ УСТАНОВКИ ГИДРОПРИВОДА ШТАНГОВОГО СКВАЖИННОГО НАСОСА

Полезная модель относится к нефтепромысловому оборудованию, а именно к оборудованию для добычи пластовой жидкости из скважин, и предназначено для использования в составе наземной части гидропривода штангового скважинного насоса.
Известны механические и гидравлические приводы скважинного штангового насоса, состоящие из металлоконструкции, удерживающей устройство в целом на грунте, и собственно привода, обеспечивающего движение штока штангового насоса, расположенного в подземной части установки.
Для привода штангового насоса в механических установках применяют кривошипно-шатунный механизм с двигателем (электрическим или внутреннего сгорания), а в гидравлических приводах используют гидроцилиндр, непосредственно обеспечивающий возвратно-поступательное движение штока штангового насоса. Второй частью гидропривода является гидростанция, подающая в гидроцилиндр рабочую жидкость под давлением.
Имеется большое число патентов, охватывающих устройства собственно гидросхем привода штангового насоса (см. заявку США №20090194291, российский патент №2262004). Однако заявляемая полезная модель относится не к устройству гидросхемы привода штангового насоса, а к силовой (механо-гидравлической) части гидропривода, обеспечивающей передачу движения с наземной части установки на находящийся под землей штанговый насос.
В качестве такого устройства, удерживающего привод на грунте и передающего движение с наземной части установки в подземную, в механических приводах используют различные рамные и рычажные конструкции. В случае применения гидропривода используется гидроцилиндр и устройство для его размещения над скважиной или около нее. Возможна установка гидроцилиндра непосредственно па устьевую арматуру скважины с помощью переходного фланца.
Устройство известных приводов обоих типов (механического и гидравлического) регламентируется ГОСТ Р51763-2001 «Приводы штанговых скважинных наносов», гармонизированным с зарубежными стандартами ИСО 10431-97 «Промышленность нефтяная и газовая. Насосные установки» и с американским стандартом API Spec 11E «Станки-качалки». В указанном ГОСТе приведены примеры исполнения основных типов приводов и технические требования к ним. В частности, устройство, удерживающее привод на грунте и передающее движение с наземной части установки в подземную, должно обеспечивать устойчивость установки на грунте (п.5.2.10 ГОСТ) и соосность точки подвеса качающего узла привода и устьевого штока колонны штанг скважинного штангового насоса (табл.2 ГОСТ).
Наиболее простой является установка силовой части гидропривода (гидроцилиндра) непосредственно на устьевую арматуру скважины (рис.3 ГОСТ). Однако такая установка ограничена несущей способностью устьевой арматуры и эксплуатационной колонны, конструкция которых приведена в ГОСТе Р 2051365-69 «Оборудование нефтепромысловое добычное устьевое. Общие технические условия». Устьевая арматура подвержена сильной коррозии, поскольку работает с агрессивной средой внутри скважины (нефть, вода, сероводород, углекислый газ, песок и т.д.) или в серийном исполнении не рассчитана на дополнительные изгибающие нагрузки, возникающие от веса силовой части гидропривода при наклонном положении колонны и при воздействии ветровой нагрузки. Кроме того, эксплуатационная колонна, как правило, не имеет прочной заделки в грунте и на плавучих грунтах может смещаться под действием не предусмотренной внешней нагрузки. Большое число видов устьевой арматуры, различающихся по размерам, не позволяет унифицировать устройство для установки гидропривода на устьевую арматуру. Поэтому данный способ установки силовой части гидропривода имеет ограниченное применение на скважинах, находящихся в эксплуатации. Он может применяться только на скважинах, расположенных с малым отклонением от вертикали (менее 1-2°), и допускает установку только легких приводов: с ходом штока до 2,5 метров и усилием на штоке до 6 тонн.
Известен «Гидропривод штангового глубинного насоса» по патенту №2105199, состоящий из силового цилиндра, гидрораспределителя, узла регулировки хода и гидроцилиндра, смонтированного на корпусе в виде стойки-пирамиды, отличающийся тем, что стойка-пирамида выполнена из труб, являющихся емкостью и теплообменником для рабочей жидкости, а гидроцилиндр установлен выходом штока вертикально вверх и соединен с колонной штанг с помощью каретки. Нижняя часть стойки пирамиды имеет опоры с шарнирами для поворота стойки при ремонте.
Более надежной является установка гидроцилиндра на раму, установленную над устьем скважины на фундамент или площадку с твердым покрытием. В этом случае рама передает все усилия на грунт и не нагружает устьевую арматуру и эксплуатационную колонну. Такая конструкция применена в «Устройстве для монтажа привода скважинного насоса» по патенту №2265751. Такое устройство, содержащее основание, на котором установлена рама с площадкой для расположения узла привода, имеющей отверстие для выходного звена привода, отличается тем, что площадка соединена с рамой шарнирно с возможностью поворота относительно оси, расположенной в плоскости, параллельной оси отверстия в площадке. Устройство для монтажа привода скважинного насоса по патенту №2265751 является наиболее близким к заявляемому техническому решению и принято за прототип.
Недостатком как прототипа, так и вышеописанных аналогов является жесткое крепление основания рамы или стойки на фундаменте, необходимое для обеспечения и сохранения в процессе работы соосности штока гидроцилиндра и штока штангового скважинного насоса. Такое крепление требует создания прочного фундамента, а значит и соответствующих затрат. Это особенно важно для низкодебитных скважин периодического фонда. Кроме того, в целом ряде случаев создание неподвижного фундамента практически невозможно, например на болотистых и затопляемых почвах, оттаивающей вечной мерзлоте, ползучем песчаном и обводняемом глинистом грунте и так далее. А как раз такие почвы наиболее характерны для нефтепромыслов.
Техническим результатом, достигаемым при использовании заявляемой полезной модели, является расширение функциональных возможностей за счет обеспечения возможности установки силовой части гидропривода (гидроцилиндра и рамы) на «плавающем» фундаменте, на площадке с локальным твердым покрытием или непосредственно на грунте без силовой привязки к устьевой арматуре.
Технические результаты достигаются за счет того, что в устройстве для установки гидропривода штангового скважинного насоса, содержащем основание и мачту-опору, содержащую как минимум три стойки и площадку, размещенную на стойках, основание выполнено в виде опорной рамы; устройство снабжено узлами регулирования положения мачты-опоры на грунте в вертикальной плоскости; каждый из узлов регулирования положения мачты-опоры на грунте в вертикальной плоскости состоит из винтовой пары и шарнира, гайка винтовой пары закреплена на нижнем конце стойки мачты-опоры, а винт имеет сферическую головку, которая одновременно является телом качения шарнира, шаровая выточка которого жестко связана с опорной рамой.
Устройство для установки гидропривода штангового скважинного насоса может быть снабжено узлами регулирования положения мачты-опоры на грунте в горизонтальной плоскости.
Каждый из узлов регулирования положения мачты-опоры на грунте в горизонтальной плоскости может состоять из талрепа, который одним концом прикреплен к углу опорной рамы, а другим концом - к основанию эксплуатационной колонны.
Мачта-опора может содержать четыре стойки.
Каждая стойка может быть выполнена телескопической с возможностью изменения длины стойки.
Один из концов каждого узла регулирования положения мачты-опоры на грунте в горизонтальной плоскости может быть прикреплен к основанию эксплуатационной колонны при помощи хомута.
Устройство для установки гидропривода штангового скважинного насоса может быть снабжено датчиком наклона.
Устройство для установки гидропривода штангового скважинного насоса может быть снабжено отвесом.
Устройство для установки гидропривода штангового скважинного насоса может быть снабжено электронным датчиком наклона.
Устройство для установки гидропривода штангового скважинного насоса может быть снабжено датчиками хода штока.
Устройство для установки гидропривода штангового скважинного насоса может быть снабжено молниеотводом.
На опорной раме могут быть установлены ролики с эксцентриками для обеспечения возможности перемещения устройства.
Мачта-опора позволяет передать все усилия на грунт и не нагружает устьевую арматуру и эксплуатационную колонну. Площадка мачты-опоры предназначена для установки на ней гидроцилиндра, а стойки поддерживают площадку и гидроцилиндр. Для обеспечения устойчивости конструкции стоек должно быть не меньше трех. Оптимальное количество стоек - четыре, поскольку именно при таком их количестве распределение нагрузки на грунт будет равномерным, и площадь опорной поверхности опорной рамы может быть минимальной.
Опорная рама является узлом распределения нагрузки на грунт. Она крепится не к грунту или плавающему фундаменту, а к эксплуатационной колонне скважины. За счет этого центровка осей штоков в горизонтальной плоскости сохраняется при просадке или плавании грунта, то есть регулировку совмещения осей штоков по предыдущему пункту достаточно проводить только в вертикальной плоскости.
В зависимости от типа грунта применяется опорная рама с оптимальной площадью опорной поверхности, при которой будет обеспечиваться допускаемое удельное давление на грунт. Также для соблюдения условия прочности текучего грунта (песок, глина, торф) опорная рама может быть выполнена с необходимым периметром. Возможно выполнение опорной рамы в виде плавучего понтона для установки устройства на обводняемый грунт.
Для вертикальной регулировки положения мачты-опоры при большой высоте устьевого оборудования (более 1,5 метров и до 3 метров) конструкция стоек выполнена телескопической с возможностью удлинения.
Узлы регулирования положения мачты-опоры в вертикальной плоскости и узлы регулирования положения мачты-опоры в горизонтальной плоскости позволяют обеспечить соосность штока гидроцилиндра и штока штангового скважинного насоса даже при установке всей конструкции на подвижном грунте при соответствующем регулярном проведении работ по регулировке.
Узел регулирования положения мачты-опоры на грунте в вертикальной плоскости состоит из винтовой пары и шарнира. Гайка винтовой пары закреплена на нижнем конце стойки мачты-опоры. Винт имеет сферическую головку, которая одновременно является телом качения шарнира, шаровая выточка которого жестко связана с опорной рамой. Таким узлом снабжена каждая стойка мачты-опоры. Наличие узлов регулирования положения мачты-опоры на грунте в вертикальной плоскости позволяет при необходимости корректировать положение штока гидроцилиндра в любой вертикальной плоскости, проходящей через ось штока устьевой подвески штангового скважинного насоса. То есть при смещении грунта конструкцию легко можно вернуть в исходное состояние (снова выровнять штоки гидроцилиндра и штангового скважинного насоса) за счет подвижного крепления (шарнира) между стойками и опорной рамой.
Узел регулирования положения мачты-опоры на грунте в горизонтальной плоскости состоит из талрепа, прикрепленного одним концом к углу опорной рамы, а другим концом - к основанию эксплуатационной колонны. Целесообразно прикреплять конец талрепа к основанию эксплуатационной колонны при помощи хомута. Таких узлов в устройстве должно быть столько же, сколько и стоек. Узлы регулирования положения мачты-опоры на грунте в горизонтальной плоскости необходимы для регулирования положения рамы и совмещения осей штока гидроцилиндра и устьевого штока скважинного насоса в горизонтальной плоскости в случае смещения грунта.
Отвес или электронный датчик наклона позволяют контролировать отклонение устройства от заданного положения и своевременно определять необходимость проведения работ по регулировке.
Датчики хода штока необходимы для возможности регулирования хода штока гидроцилиндра и построения динамограммы.
Для обеспечения возможности отката конструкции при ремонте скважины в заявляемом устройстве предусмотрено наличие роликов с эксцентриками, которые закреплены на опорной раме.
Молниеотвод необходим для защиты заявляемого устройства от удара молнии.
На фиг.1 показан вид устройства для установки гидропривода штангового скважинного насоса сбоку.
На фиг.2 показан вид устройства для установки гидропривода штангового скважинного насоса сверху.
На фиг.3 показан узел регулирования положения мачты-опоры на грунте в вертикальной плоскости.
На фиг.4 показан вид на узел регулирования положения мачты-опоры в горизонтальной плоскости.
На фиг.5 показан ролик с эксцентриком на опорной раме.
Согласно рисункам гидроцилиндр (1) установлен на площадке (2) мачты опоры (3). На нижних концах стоек мачты-опоры (3) расположены узлы регулирования положения мачты-опоры (3) на грунте в вертикальной плоскости, представляющие собой винтовые пары (4). Гайки (5) винтовой пары (4) закреплены на нижних конца стоек мачты-опоры (3). Винты (6) имеют сферические головки, которые одновременно являются телом качения шарнира (7), шаровая выточка которого жестко связана с опорной рамой (8).
Узел регулирования положения мачты-опоры (3) в горизонтальной плоскости выполнен в виде талрепов (9), прикрепленных одним концом к углам опорной рамы (8), а другим концом - к основанию эксплуатационной колонны (10) при помощи хомута (11).
Отвес (12) прикреплен к площадке (2) мачты-опоры (3).
На опорной раме (8) размещены ролики (19) с эксцентриками (18).
В верхней части гидроцилиндра расположен молниеотвод (16), а на мачте-опоре (3) закреплена штанга с датчиками хода штока (17).
Гидроцилиндр (1) в сборе с мачтой-опорой (3) и опорной рамой (8) устанавливают над скважиной, приблизительно (±50 мм) совмещая оси штока гидроцилиндра (13) и устьевого штока (14). Затем с помощью винтовых пар (4) на концах стоек мачты-опоры, то есть с помощью узлов регулирования положения мачты-опоры в вертикальной плоскости, выставляют шток гидроцилиндра (13) параллельно устьевому штоку (14) с требуемой точностью, не хуже ±0,1°. После чего с помощью узла регулирования положения мачты-опоры в горизонтальной плоскости окончательно совмещают штоки с заданной точностью, не хуже ±2 мм между их осями при ходе штока 3,5 м. Положение отвеса (12) отмечают на фланце арматуры или на иной плоскости, связанной с ней.
В процессе эксплуатации гидропривода за отклонением отвеса (12) от отмеченного положения ведется наблюдение. При отклонении взаимного положения штоков (13) и (14) более допустимого (±0,2° по углу или ±5 мм по расстоянию) при просадке или подвижке грунта относительное положение штока (13) корректируется при помощи узлов регулирования положения мачты-опоры в вертикальной плоскости и при помощи узлов регулирования положения мачты-опоры в горизонтальной плоскости.
Фактически в районах с умеренным и холодным климатом (50-70° северной широты) корректировка необходима два раза в год: весной, после оттаяния грунта, и осенью, после окончания дождей.
Как отмечено, возможно использование электронных или оптических датчиков для контроля отклонения. При использовании электронных датчиков сигнал о величине отклонения от начально заданного может поступать диспетчеру по линии связи. Следовательно, возможна автоматизация управления узлами регулирования положения мачты-опоры.
Заявляемое техническое решение устраняет все недостатки, имеющиеся в аналогах и, кроме того, является простым в применении и производстве.