ГИДРОПРИВОД ШТАНГОВОГО СКВАЖИННОГО НАСОСА
HYDRAULIC DRIVE OF THE ROD BOREHOLE PUMP

Изобретение относится к нефтедобывающей отрасли и может быть использовано при скважинной добыче нефти установками штанговых скважинных насосов.
Известен гидропривод штангового скважинного насоса (ШСН), используемый в составе штанговой скважинной насосной установки для добычи нефтесодержащей жидкости. Устройство состоит из насосной станции, трубопроводов и силового гидроцилиндра с поршнем и штоком для соединения с колонной штанг и скважинным насосом. Привод силового цилиндра осуществляется от насосной станции, при этом гидравлическая жидкость подается в полости силового гидроцилиндра по трубопроводам через вспомогательный гидроцилиндр, соединенный с пневмоаккумулятором. Уравновешивание известного устройства осуществляется посредством сжатия газа в пневмоаккумуляторе при опускании колонны штанг, что позволяет запасать энергию, которая расходуется при подъеме колонны штанг, плунжера скважинного насоса и добываемой скважинной жидкости [Молчанов А.Г. Гидроприводные штанговые скважинные насосные установки. М., Недра, 1982, 245 с., описание устройство приведено на стр. 26; Молчанов А.Г. Машины и оборудование для добычи нефти и газа: Учеб. для вузов. 2-е изд., исп. и доп. М.: Издательский дом Альянс. 2010. 588 с., описание устройство приведено на стр. 212]. Таким образом, известный гидропривод ШСН имеет пневматическое уравновешивание нагрузок, возникающих при прямом (рабочем) и обратном (холостом) ходе поршня силового гидроцилиндра.
К недостаткам известного устройства относится сложность конструкции привода, в состав которой входят один или несколько пневмоаккумуляторов, работающих под высоким давлением; сложность обслуживания пневмоаппаратуры и необходимость заправки пневмоаккумуляторов, работающих под высоким давлением; низкая эффективность пневматического уравновешивания и, как следствие, высокие удельные затраты энергии на добычу скважинной нефтесодержащей жидкости [Результаты опытно-промышленных испытаний перспективных приводов штанговых скважинных насосных установок / И.И. Мазеин, А.Н. Устинов, М.В. Тяктев, А.А. Рыбин, Д.И. Шишлянников, М.М. Тяктев // Горное оборудование и электромеханика. - 2016. - № 9. - С. 8-14].
Известен гидропривод скважинного штангового насоса для добычи нефтесодержащей жидкости, состоящий из насосной станции, трубопроводов, силового гидроцилиндра с поршнем и штоком для соединения с колонной штанг и скважинным насосом. Привод силового цилиндра осуществляется от насосной станции, при этом гидравлическая жидкость подается в полости силового гидроцилиндра и к гидроаппаратуре по трубопроводам. Питающее напряжение подается на приводной двигатель насосной станции частотным преобразователем. Слив рабочей жидкости из штоковой полости силового гидроцилиндра при опускании колонны штанг осуществляется в бак насосной станции через рабочие камеры объемного гидронасоса, при этом объемный гидронасос работает в режиме гидромотора и раскручивает ротор приводного электродвигателя. При опускании колонны штанг и плунжера скважинного насоса приводной электродвигатель насосной станции известного устройства работает в генераторном режиме и вырабатывает электрическую энергию, которая рекуперируется в сеть нефтепромысла. Таким образом, при работе известного привода ШСН реализуется электродинамический способ уравновешивания нагрузок, возникающих при прямом (рабочем) и обратном (холостом) ходе поршня силового гидроцилиндра [Патент РФ № 2699504 от 05.09.2019; Седых А.А. Результаты проведения опытно промысловых испытаний гидропривода ШГН с функцией рекуперации электроэнергии на фонде ПАО «Оренбургнефть» / А.А. Седых, Ю.Г. Степанов, А.Ф. Абдуллин // Инженерная практика. - 2016. - № 3. - С. 44-46].
К недостаткам известного устройства относятся сложность конструкции, наладки и эксплуатации, а также высокая стоимость оборудования электрической части (частотного преобразователя, устройства рекуперации). Рекуперация электроэнергии в сеть обусловливает необходимость установки конденсаторных батарей для компенсации реактивной мощности и паразитных гармоник в сети переменного напряжения нефтяного промысла. Знакопеременные нагрузки на приводной вал объемного гидронасоса насосной станции, возникающие вследствие разных режимов работы насоса при прямом и обратном ходе поршня силового гидроцилиндра, обусловливают ускоренный расход ресурса насоса и возникновение аварийных отказов [Результаты опытно-промышленных испытаний перспективных приводов штанговых скважинных насосных установок / И.И. Мазеин, А.Н. Устинов, М.В. Тяктев, А.А. Рыбин, Д.И. Шишлянников, М.М. Тяктев // Горное оборудование и электромеханика. - 2016. - № 9. - С. 8-14].
Наиболее близким к заявляемому устройству по совокупности признаков, является гидравлический привод штангового скважинного насоса с грузо-гидравлическим уравновешиванием [Повышение эффективности гидравлических приводов штанговых скважинных насосных установок для добычи нефти / А.Н. Устинов, М.В. Тяктев, Д.И. Шишлянников, М.Г. Трифанов, М.М. Тяктев, С.А. Фролов // Горное оборудование и электромеханика. - 2017. - № 7. - С. 26-32]. В конструкцию привода входит насосная станция, оснащенная объемным насосом с регулируемой производительностью и подпиточным насосом высокого давления; силовой гидроцилиндр, шток которого соединен с колонной штанг и плунжером скважинного насоса; грузо-гидравлический аккумулятор; трубопроводы, гидрораспределители и контрольно-измерительная аппаратура. Штоковые полости силового гидроцилиндра и грузо-гидравлического аккумулятора, представляют собой сообщающиеся сосуды.
Конструкция грузо-гидравлического аккумулятора включает в себя гидроцилиндр двустороннего действия, шток которого соединен с уравновешивающими грузами, и опору для установки гидроцилиндра с уравновешивающими грузами в вертикальном положении.
При работе известного устройства, принятого в качестве прототипа, рабочая жидкость из бака насосной станции подается объемным насосом регулируемой производительности попеременно в поршневые полости силового гидроцилиндра и грузогидравлического аккумулятора, что обеспечивает возвратно-поступательное движение колонны насосных штанг, соединенных с плунжером штангового скважинного насоса.
При прямом (рабочем) ходе поршня силового гидроцилиндра обеспечивается поднятие колонны штанг, плунжера ШСН и некоторого объема нефтесодержащей жидкости из скважины. Прямой (рабочий) ход поршня силового гидроцилиндра реализуется посредством нагнетания рабочей жидкости из бака насосной станции объемным насосом регулируемой производительности в поршневую полость грузо-гидравлического аккумулятора и вытеснения рабочей жидкости из штоковой полости грузо-гидравлического аккумулятора в штоковую полость силового гидроцилиндра. Из поршневой полости силового гидроцилиндра рабочая жидкость сливается в бак насосной станции. Нагрузка на приводной двигатель и объемный насос регулируемой производительности насосной станции устройства, принятого в качестве прототипа, уравновешивается за счет энергии опускаемого груза, закрепленного на штоке грузо-гидравлического аккумулятора.
При обратном (холостом) ходе поршня силового гидроцилиндра обеспечивается опускание колонны штанг и плунжера скважинного насоса, а также накопление энергии за счет поднятия груза, закрепленного на штоке грузо-гидравлического аккумулятора. Обратный (холостой) ход поршня силового гидроцилиндра реализуется посредством нагнетания рабочей жидкости из бака насосной станции объемным насосом регулируемой производительности в поршневую полость силового гидроцилиндра аккумулятора и вытеснения рабочей жидкости из штоковой полости силового гидроцилиндра в штоковую полость грузо-гидравлического аккумулятора. Из поршневой полости грузо-гидравлического аккумулятора рабочая жидкость сливается в бак насосной станции.
Регулирование числа качаний (количества возвратно-поступательных движений в единицу времени) колонны штанг и плунжера ШСН при работе известного устройства осуществляется посредством регулирования подачи объемного насоса насосной станции.
Изменение величины перемещения (длины хода) поршня и штока силового гидроцилиндра и компенсация утечек в штоковых полостях силового гидроцилиндра и грузо-гидравлического аккумулятора реализуется при подключении к работе подпиточного насоса высокого давления, который приводится от двигателя насосной станции.
Контроль числа качаний и величины перемещения штока силового гидроцилиндра осуществляется посредством датчиков, сигналы с которых передаются на блок интеллектуального управления насосной станции [Повышение эффективности гидравлических приводов штанговых скважинных насосных установок для добычи нефти / А.Н. Устинов, М.В. Тяктев, Д.И. Шишлянников, М.Г. Трифанов, М.М. Тяктев, С.А. Фролов // Горное оборудование и электромеханика. - 2017. - № 7. - С. 26-32]. Данное устройство принято в качестве прототипа.
Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемого изобретения, - гидропривод штангового скважинного насоса, включающий в себя силовой гидроцилиндр и уравновешивающий грузо-гидравлический аккумулятор, штоковые полости которых соединены посредством трубопровода, как сообщающиеся сосуды, насосную станцию с регулируемым объемным насосоми баком, предохранительный клапан, гидрораспределители и контрольно-измерительную аппаратуру, соединенную с блоком интеллектуального управления,
К недостаткам устройства, принятого за прототип, следует отнести наличие подпитывающего насоса высокого давления, периодически подключаемого для изменения величины перемещения поршня и штока силового гидроцилиндра и компенсации утечек в штоковых полостях силового гидроцилиндра и грузо-гидравлического аккумулятора, что усложняет конструкцию и снижает надежность известного гидропривода ШСН, принятого в качестве прототипа.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является упрощение конструкции и повышение надежности функционирования гидропривода ШСН.
Поставленная задача была решена за счет того, что известный гидропривод штангового скважинного насоса, включающий силовой гидроцилиндр и уравновешивающий грузо-гидравлический аккумулятор, штоковые полости которых соединены посредством трубопровода, как сообщающиеся сосуды, насосную станцию с регулируемым объемным насосоми баком, предохранительный клапан, гидрораспределители и контрольно-измерительную аппаратуру, соединенную с блоком интеллектуального управления, согласно изобретениюснабжен вспомогательным гидроцилиндром двустороннего действия с полостями высокого и низкого давления, при этом полость высокого давления указанного вспомогательного гидроцилиндра двустороннего действия через обратный клапан соединена со штоковыми полостями силового гидроцилиндра и грузо-гидравлического аккумулятора, а через гидрораспределитель - с регулируемым объемным насосом насосной станции, полость низкого давления вспомогательного гидроцилиндра двустороннего действия соединена гидрораспределителем с регулируемым объемным насосом и баком насосной станции.
Признаки заявляемого технического решения, отличительные от прототипа, - наличие вспомогательного гидроцилиндра двустороннего действия с полостями высокого и низкого давления; полость высокого давления вспомогательного гидроцилиндра двустороннего действия через обратный клапан соединена со штоковыми полостями силового гидроцилиндра и грузо-гидравлического аккумулятора, а через гидрораспределитель - с регулируемым объемным насосом насосной станции; полость низкого давления вспомогательного гидроцилиндра двустороннего действия соединена гидрораспределителем с регулируемым объемным насосом и баком насосной станции.
Гидравлический привод штангового скважинного насоса монтируется на скважине и соединяется с колонной штанг и плунжером ШСН. Штоковые полости силового гидроцилиндра и грузо-гидравлического аккумулятора, соединяющиеся между собой как сообщающиеся сосуды, гидравлически соединены с полостью высокого давления вспомогательного гидроцилиндра двустороннего действия через обратный клапан. Нагрузка в точке подвеса колонны штанг к штоку силового гидроцилиндра уравновешивается весом уравновешивающих грузов, соединенных со штоком грузо-гидравлического аккумулятора.
Насос насосной станции гидропривода через гидрораспределитель попеременно заполняет полости высокого и низкого давления вспомогательного гидроцилиндра двустороннего действия. При заполнении полости низкого давления вспомогательного гидроцилиндра двустороннего действия гидравлическая жидкость вытесняется в штоковые полости силового гидроцилиндра и грузо-гидравлического аккумулятора. При этом давление в полости высокого давления вспомогательного гидроцилиндра двустороннего действия превышает давление в полости низкого давления обратно пропорционально величинам площадей поршней в полостях высокого и низкого давления
,
P
P
S
S
1
2
1
2
2
2
где  - давление гидравлической жидкости в полости высокого давления вспомогательного гидроцилиндра двустороннего действия, Па;  - давление гидравлической жидкости в полости низкого давления вспомогательного гидроцилиндра двустороннего действия, Па;  - площадь поршня в полости высокого давления вспомогательного гидроцилиндра двустороннего действия, м;  - площадь поршня в полости низкого давления вспомогательного гидроцилиндра двустороннего действия, м.
При заполнении полости высокого давления вспомогательного гидроцилиндра двустороннего действия жидкость вытесняется из полости низкого давления вспомогательного гидроцилиндра двустороннего действия в бак насосной станции. Таким образом, осуществляется заполнение штоковых полостей силового гидроцилиндра и грузо-гидравлического аккумулятора рабочей жидкостью без использования дополнительного насоса высокого давления, что упрощает конструкцию и повышает надежность гидравлического привода ШСН.
Регулируемый объемный насос, установленный в насосной станции гидропривода ШСН, может быть рассчитан на относительно небольшие давления, что удешевляет конструкцию привода в целом.
После заполнения штоковых полостей силового гидроцилиндра и грузо-гидравлического аккумулятора заданным объемом гидравлической жидкости, гидравлический привод ШСН готов к работе.
Работа гидравлического привода ШСН осуществляется при попеременном заполнении поршневых полостей силового гидроцилиндра и грузо-гидравлического аккумулятора рабочей жидкостью, подаваемой из бака насосной станции регулируемым объемным насосом через гидрораспределитель. При этом из штоковых полостей силового гидроцилиндра и грузо-гидравлического аккумулятора рабочая жидкость попеременно вытесняется, обеспечивая подъем и опускание колонны штанг и плунжера ШСН, а также запасание энергии при подъеме уравновешивающих грузов грузо-гидравлического аккумулятора.
Увеличение длины хода поршня и штока силового гидроцилиндра осуществляется подачей рабочей жидкости в штоковые полости силового гидроцилиндра и грузо-гидравлического аккумулятора вспомогательным гидроцилиндром двустороннего действия. Также вспомогательный гидроцилиндр двустороннего действия обеспечивает компенсацию утечек рабочей жидкости, то есть заменяет собой подпиточный насос, что упрощает конструкцию гидропривода ШСН.
Использование вспомогательного гидроцилиндра двустороннего действия вместо насоса высокого давления позволяет упростить конструкцию и повысить надежность функционирования гидропривода штангового скважинного насоса.
Гидравлическое соединение полости высокого давления вспомогательного гидроцилиндра двустороннего действия через обратный клапан со штоковыми полостями силового гидроцилиндра и грузо-гидравлического аккумулятора обеспечивает подачу рабочей жидкости из вспомогательного гидроцилиндра двустороннего действия в указанные полости для задания длины хода (величины перемещения) штока силового гидроцилиндра и компенсацию утечек в штоковых полостях силового гидроцилиндра и грузо-гидравлического аккумулятора.
Использование обратного клапана обеспечивает одностороннее направление потока рабочей жидкости из полости высокого давления вспомогательного гидроцилиндра двустороннего действия в штоковые полости силового гидроцилиндра и грузо-гидравлического аккумулятора.
Гидравлическое соединение полости высокого давления вспомогательного гидроцилиндра двустороннего действия через гидрораспределитель с регулируемым насосом насосной станции обеспечивает заполнение полости высокого давления вспомогательного гидроцилиндра двустороннего действия рабочей жидкостью насосом из бака.
Гидравлическое соединение полости низкого давления вспомогательного гидроцилиндра двустороннего действия через гидрораспределитель с регулируемым насосом и баком обеспечивает попеременное заполнение и опорожнение полости низкого давления при работе вспомогательного гидроцилиндра двустороннего действия.
Сущность предлагаемого устройства поясняется схемой, представленной на фиг.
1
2
3
3
4
5
6.
1
2
7
8
9
10
7
11
Гидравлический привод штангового скважинного насоса состоит из силового гидроцилиндра  и грузо-гидравлического аккумулятора , штоковые полости которых соединены трубопроводом  и представляют собой сообщающиеся сосуды. К трубопроводу  через обратный клапан  подсоединена полость высокого давления  вспомогательного гидроцилиндра двустороннего действия  Гидравлическая жидкость подается в поршневые полости силового гидроцилиндра  и грузо-гидравлического аккумулятора  регулируемым объемным насосом  из бака  через гидрораспределитель . Для очистки гидравлической жидкости предусмотрен фильтр . Защита регулируемого объемного насоса  от превышения давления осуществляется посредством предохранительного клапана .
5
12
6
7
8
13
Подача гидравлической жидкости в полость высокого давления  и полость низкого давления  вспомогательного гидроцилиндра двустороннего действия  осуществляется регулируемым объемным насосом  из бака  через гидрораспределитель .
1
2
14
15
Для слива рабочей жидкости из штоковых полостей силового гидроцилиндра  и грузо-гидравлического аккумулятора  используется гидрораспределитель  и регулируемый дроссель .
16, 17, 18
1
19
20.
Контроль давления в гидросистеме реализуется датчиками давления . Контроль числа качаний и величины перемещения штока силового гидроцилиндра  осуществляется посредством датчиков , сигналы с которых передаются на блок интеллектуального управления
20
9
21
22
13
23
24
14
25
21…25
7
26
7
26
20
Блок интеллектуального управления  реализует управление гидрораспределителем  посредством управляющих элементов и; гидрораспределителем  посредством управляющих элементов и; гидрораспределителем  посредством управляющего элемента . В качестве управляющих элементов могут быть использованы, например, электромагниты. Изменение величины подачи регулируемого объемного насоса  осуществляется посредством электропривода , который реализует, например, изменение наклона блока цилиндров или наклонного диска насоса . Управление электроприводом  осуществляется подачей сигналов с блока интеллектуального управления .
Гидропривод штангового скважинного насоса устанавливается над устьем нефтяной скважины и работает следующим образом.
1
1
1
G
G
2
п
а
Силовой гидроцилиндр  соединяется с колонной насосных штанг и плунжером скважинного насоса, шток гидроцилиндра  совершает возвратно-поступательные движения. При подъеме штока гидроцилиндра  в точке подвеса колонны штанг возникает нагрузка , которая уравновешивается весом грузов  грузо-гидравлического аккумулятора .
8
10
7
9
9
8
11
Рабочая жидкость из бака  через фильтр  подается регулируемым объемным насосом  к гидрораспределителю . В случае нахождения запорного элемента гидрораспределителя  в нейтральном положении (все каналы гидрораспределителя перекрыты), рабочая жидкость подается из гидросистемы назад в бак  через предохранительный клапан .
20
21
9
I
9
7
1
1
1
3
2
2
G
G
1
а
п
При подаче управляющего сигнала от блока интеллектуального управления  на управляющий элемент  происходит переключение запорного элемента гидрораспределителя . В позиции запорного элемента гидрораспределителя рабочая жидкость подается регулируемым объемным насосом в поршневую полость силового гидроцилиндра . Поршень и шток силового гидроцилиндра  движутся вниз, при этом из штоковой полости гидроцилиндра  рабочая жидкость по трубопроводу  вытесняется в штоковую полость грузо-гидравлического аккумулятора . Под действием избыточного давления в штоковой полости грузо-гидравлического аккумулятора  поршень и шток с грузом  перемещаются вверх. Таким образом, осуществляется накопление энергии для уравновешивания нагрузок , возникающих при подъеме колонны штанг в точке подвеса на штоке силового гидроцилиндра .
2
8
9
Из поршневой полости грузогидравлического аккумулятора  рабочая жидкость сливается в бак  через гидрораспределитель .
9
II
22
20
8
7
2
G
2
2
3
1
1
G
G
а
п
а
Переключение запорного элемента гидрораспределителя  в положение  осуществляется посредством подачи сигнала на управляющий элемент  от блока интеллектуального управления . При этом рабочая жидкость из бака  подается регулируемым объемным насосом  в поршневую полость грузо-гидравлического аккумулятора . Под действием избыточного давления и веса груза  поршень и шток грузо-гидравлического аккумулятора  движутся вниз, при этом рабочая жидкость вытесняется из штоковой полости грузо-гидравлического аккумулятора  по трубопроводу  в штоковую полость силового гидроцилиндра . Таким образом, осуществляется подъем штока силового гидроцилиндра  с прикрепленными к нему колонной штанг, плунжером скважинного насоса и нефтесодержащей жидкости из скважины, вес которых формирует нагрузку , уравновешиваемую грузом .
1
8
9
1
2
16, 17, 18
Из поршневой полости силового гидроцилиндра рабочая жидкость сливается в бак  через гидрораспределитель . Давление в полостях силового гидроцилиндра  и грузо-гидравлического аккумулятора  контролируется посредством датчиков давления .
1
19
20
Определение величины перемещения и количества возвратно-поступательных движений в единицу времени штока силового гидроцилиндра  осуществляется по показаниям датчиков ,сигналы с которых передаются на блок интеллектуального управления .
1
7
20
26
Изменение количества возвратно-поступательных движений в единицу времени штока силового гидроцилиндра  осуществляется регулированием подачи объемного насоса насосной станции посредством подачи управляющих сигналов с блока интеллектуального управления  на электропривод .
1
1
2
6
20
24
13
I
5
6
7
8
12
6
8
Изменение величины перемещения (длины хода) штока силового гидроцилиндра  и компенсация утечек в штоковых полостях силового гидроцилиндра  и грузо-гидравлического аккумулятора  реализуется при подключении к работе вспомогательного гидроцилиндра двустороннего действия . При подаче управляющего сигнала от блока интеллектуального управления  на управляющий элемент гидрораспределителя , последний переключается в позицию . Полость высокого давления  вспомогательного гидроцилиндра двустороннего действия  соединяется с регулируемым объемным насосом  и заполняется рабочей жидкостью из бака . Из полости низкого давления  вспомогательного гидроцилиндра двустороннего действия рабочая жидкость сливается в бак .
5
20
23
13
II
8
7
13
13
6
5
4
3
1
2
1
При заполнении полости высокого давления рабочей жидкостью управляющий сигнал от блока интеллектуального управления  подается на управляющий элемент гидрораспределителя , запорный элемент которого переключается в положение . Рабочая жидкость из бака  подается регулируемым объемным насосом  через гидрораспределитель  в полость низкого давления вспомогательного гидроцилиндра двустороннего действия . Под действием создаваемого избыточного давления из полости  через обратный клапан  и трубопровод  рабочая жидкость вытесняется в штоковые полости силового гидроцилиндра  и грузо-гидравлического аккумулятора . Таким образом реализуется заполнение гидросистемы перед работой, компенсация утечек в гидросистеме и увеличение длины хода штока силового гидроцилиндра .
1
2
15
14
20
25
Слив (частичный или полный) рабочей жидкости из штоковых полостей силового гидроцилиндра  и грузо-гидравлического аккумулятора  осуществляется через регулируемый дроссель  и гидрораспределитель  при подаче сигнала от блока интеллектуального управления  на управляющий элемент .
Таким образом, обеспечивается надежная работа гидропривода штангового скважинного насоса, достигается упрощение конструкции гидропривода.