НЕФТЯНАЯ КАЧАЛКА
OIL JACK PUMP

Нефтяная качалка относится к машиностроению, а именно к области нефтедобывающей отрасли машиностроения.
Известна нефтяная качалка, содержащая двигатель, кривошипно-шатунный преобразователь движения, балансир, противовес, трос, шток и насос, который может быть указан в качестве аналога предлагаемого технического решения [Коршак А.А., Шаммазов A.M. Основы нефтегазового дела, Уфа: ДизайнПолиграфСервис, 2002].
Недостаток аналога заключается в низком КПД, связанном с низким КПД кривошипно-шатунного преобразователя движения, а также в ограниченности применения его только в вертикальных нефтяных скважинах.
Известна также нефтяная качалка, содержащая каркас, снабженный двигателем, связанным с редуктором, преобразователь движения и трос, связанный со штоком насоса [см. SU 985419 A (отдел конструирования, опробования и внедрения разработок ВНИИ нефтяной промышленности, 30.12.1982)].
Указанная нефтяная качалка является средством того же назначения, которому присуща совокупность признаков, наиболее близкая к совокупности существенных признаков изобретения по первому пункту независимых признаков предлагаемого технического решения, и может быть принята за ближайший аналог (прототип).
Недостатком прототипа является низкий КПД и ограниченность его применения только в вертикальных скважинах.
Техническая задача заключается в повышении КПД нефтедобывающей качалки и расширении функциональных возможностей при добыче нефти из наклонных скважин, а также в экономии энергетических затрат.
Техническая задача достигается путем применения новой конструкции нефтяной качалки, которая содержит каркас, снабженный двигателем, связанным с редуктором, преобразователь движения, связанный со штоком насоса. При этом преобразователь движения содержит кинематически связанные валы, обгонные муфты, четыре шестерни, а также сегментную шестерню, установленную на валу двигателя. Сегментная шестерня взаимодействует по очереди с первой и второй шестернями, установленными с диаметрально противоположных сторон на обоймах обгонных муфт, входящих в сцепление по очереди. Ступицы обгонных муфт совместно с третьей и четвертой шестернями установлены неподвижно на валах. Кроме того, качалка содержит многозвенный толкатель, один конец которого шарнирно связан и взаимодействует со штоком, а другой конец, состоящий из двух раздвижных звеньев, шарнирно связан и взаимодействует с в пальцами, закрепленными на ступицах соответствующих обгонных муфт.
Кроме того нефтяная качалка дополнительно содержит трос, балансир с противовесом и сегментным наконечником. При этом конец многозвенного толкателя шарнирно связан и взаимодействует с балансиром, а трос перекинут через сегментный наконечник балансира и связан с верхним концом штока. Нижний конец штока связан с поршнем насоса. Корпус качалки установлен на каркасе с возможностью колебания относительно горизонтального вала двигателя с редуктором.
На фиг.1 представлен вид сбоку на качалку, где:
1 - каркас (задняя стенка);
2 - балансир;
3 - сегментный наконечник;
4 - ось колебания;
5 - противовес;
6 - многозвенный толкатель;
7, 8 - первый и второй пальцы;
9, 10 - первая и вторая обгонные муфты;
11, 12 - первая и вторая шестерни;
13 - сегментная шестерня;
14, 15 - первый и второй валы;
16 - вал двигателя;
17 - трос;
18 - шток.
На фиг.2 представлен вид А-А по фиг.1 на конструкцию нефтяной качалки, где позиции 1-16 те же, что на фиг.1;
19 - двигатель с редуктором;
20 - каркас (передняя стенка);
21, 22 - задняя и передняя стенки корпуса;
23 - боковые крепления корпуса;
24 - подшипники;
25, 26 - третья и четвертая шестерни.
Принцип работы нефтяной качалки, конструкция которой представлена на фиг.1 и фиг.2, заключается в следующем:
Конструкция нефтяной качалки состоит из каркаса, состоящего из двух параллельных стенок 1, 20, соединенных между собой с помощью двух параллельных боковых креплений 23. Корпус двигателя с редуктором крепится неподвижно на задней стенке корпуса 1. Между двумя стенками каркаса шарнирно установлен качающий корпус, состоящий из задней 21 и передней 22 стенок. Между стенками корпуса шарнирно установлены первый 14 и второй 15 валы. На первом валу 14 неподвижно установлены ступица первой обгонной муфты 9 и третья шестерня 25.
На втором валу 15 также неподвижно установлена ступица второй обгонной муфты 10 и четвертая шестерня 26. На обоймах первой 9 и второй 10 обгонных муфт неподвижно закреплены первая 11 и вторая 12 шестерни соответственно. Указанные шестерни по очереди взаимодействуют с сегментной шестерней 13, неподвижно установленной на валу первого двигателя с редуктором 19. У сегментной шестерни диаметр делительной окружности r в два раза меньше диаметра R делительной окружности первой 11 и второй 12 шестерен R=2r.
Кроме того, зубья сегментной шестерни занимают менее половины ее делительной окружности. При этом первая 9 и вторая 10 обгонные муфты установлены на соответствующих валах 14 и 15 так, чтобы они входили в сцепление по очереди. Это происходит в те моменты времени, когда сегментная шестерня 13 взаимодействует с первой 11 и второй 12 шестерней соответственно. Третья 25 и четвертая 26 шестерни, неподвижно установленные на первом 14 и втором 14 валах, постоянно находятся в сцеплении друг с другом. Данные шестерни меняют свое направление вращения после поворота на 90° в ту или другую сторону. На такой же угол поворачиваются в ту или другую сторону ступицы первой 9 и второй 10 обгонных муфт. Ступицы обгонных муфт 9 и 10 связаны с соответствующими пальцами 7 и 8. Пальцы шарнирно связаны с нижними концами многозвенного толкателя 6. Пальцы колеблются во взаимно противоположных направлениях в пределах 90°. Колебание пальцев навстречу друг другу приводит к удлинению многозвенного толкателя. Чем больше число пар рычагов многозвенного толкателя, тем больше стрелка выдвижения (длина) многозвенного толкателя 6. Верхний конец толкателя шарнирно связан с балансиром 2 качалки. Балансир имеет ось качания 4 и сегментарный наконечник 3. Центр кривизны сегментного наконечника совпадает с осью 4. На нижнем конце балансира неподвижно закреплен противовес 5. Противовес компенсирует моменты на оси 4, создаваемые сегментной головкой 3, тросом 17 и штоком 18.
Верхний конец многозвенного толкателя 6 при вращении сегментной шестерни 13 совершает возвратное поступательное движение по вертикали. Этот конец может быть шарнирно соединен с концом штока 18.
Для этого многозвенный толкатель устанавливается с нижней стороны обгонных муфт 9 и 10. Непосредственное соединение многозвенного толкателя 6 со штоком 18 позволяет откачивать нефть или геотермальную воду из наклонных скважин. Качалки с балансиром 2 и тросом 17 позволяют выкачивать нефть только из вертикальных скважин.
На фиг.1 конец многозвенного толкателя 6 шарнирно связан с балансиром 2, колеблющимся вокруг оси 4.
Для обеспечения необходимого поворота многозвенного толкателя относительно оси вала 16 первого двигателя 19 используется шарнирное соединение корпуса, состоящего из стенок 21 и 22 относительно каркаса, состоящего из стенок 1 и 20. Шарнирное соединение корпуса относительно каркаса обеспечивается с помощью радиально-упорных подшипников 24. Каркас установлен неподвижно на земле. При вращении вала 10 двигателя по часовой стрелке сегментная шестерня 13 взаимодействует со второй шестерней 10. При этом вторая обгонная муфта входит в сцепление, что приводит к повороту второй 10 и четвертой 26 шестерен на 90° против часовой стрелки.
Третья шестерня 25, находящаяся в сцеплении с четвертой шестерней, вращается по часовой стрелке на 90°. На такой же угол по часовой стрелке вращается ступица первой обгонной муфты 9. Такой встречный поворот ступиц обгонных муфт и установленных на них пальцев 7 и 8 приводит к выдвижению многозвенного толкателя вверх. Это приводит к подъему балансира 2 и связанных с ним троса 17 и штока 18.
Во втором полупериоде вращения вала 16 двигателя с редуктором 19 происходит взаимодействие сегментной шестерни 13 с первой шестерней 11. При этом в сцепление входит первая обгонная муфта 9. Это приводит к повороту ступицы первой обгонной муфты, первого вала и третьей шестерни 25 на 90° против часовой стрелки. Взаимодействие третьей шестерни с четвертой шестерней 26 приводит к повороту последней связанной с ней ступицы второй обгонной муфты на 90° по часовой стрелке. Поворот ступиц обгонных муфт 9 и 10, а также связанных с ними пальцев 7 и 8 во взаимно противоположных направлениях приводит к укорачиванию (свертыванию) многозвенного толкателя 6. Это приводит к опусканию балансира и связанных с ним троса 17 и штока 18 вниз.
По сравнению с прототипом, где используется кривошипно-шатунный преобразователь вращательного движения вала двигателя в колебательное движение балансира, КПД предлагаемой качалки повышается. Это связано с тем, что первая и вторая шестерня и соответствующие пальцы колеблются в пределах ±45° от положения, где момент на валах 14 и 15 максимален. Средний момент равен 0,9 RP. В прототипе средний момент равен М=0,3 RP. Таким образом, момент на валу возрастает в три раза. При непосредственном соединении многозвенного толкателя 6 со штоком 18 отпадает необходимость в применении балансира с наконечником 3 и противовесом, а также в колеблющемся корпусе (стенок 21, 22 и креплений 23). Таким образом, шток совершает возвратно-поступательное движение. Конец штока связан с поршнем. Опускание поршня приводит к всасыванию нефти или геотермальных вод в цилиндр. При подъеме поршня всасывающий клапан закрывается и нефть (или горячая вода) поднимается вверх (см. Коршак А.А., Шаммазов A.M. Основы нефтегазового дела. Уфа: ДизайнПолиграфСервис, 2002).
Нефтяная качалка позволяет экономить электрическую энергию в два раза и позволяет выкачивать нефть или геотермальную воду как из вертикальных, так и из наклонных скважин.