ПРИВОД ШТАНГОВОЙ ВИНТОВОЙ НАСОСНОЙ УСТАНОВКИ

Привод штанговой винтовой насосной установки
Изобретение относится к нефтяной технике, в частности к установкам винтовых насосов с наземным приводом через колонну насосных штанг, и может быть использовано при механизированной добыче нефти и других пластовых жидкостей.
Привод штанговой винтовой насосной установки состоит из приводного двигателя (электрического или гидравлического), понижающей передачи (клиноременной или зубчатой), опорной части с приводным валом, полированного штока, сальника и устройств для крепления штока с колонной штанг и корпуса привода с колонной головкой скважины. Для предотвращения обратного вращения колонны насосных штанг после остановки приводного двигателя (вследствие освобождения энергии закручивания колонны и выравнивания уровней жидкости внутри колонны насосно-компрессорных труб (НКТ) и затрубном пространстве скважины) в состав привода также включается тормозное устройство обратного вращения.
Известно большое количество тормозных устройств обратного вращения штанг различного типа (механического или гидравлического), основанных на использовании центробежных сил или сил трения (для сцепления деталей с целью создания крутящего момента) или вспомогательного гидропривода (замедление за счет ограничения расхода жидкости в системе при обратном вращении). Недостатком известных тормозных устройств является то, что они выполняются как отдельный узел и требуют усложнения общей компоновки привода в связи с необходимостью введения дополнительных крепежных элементов и герметизирующих устройств.
Из известных тормозных устройств наиболее близким к предлагаемому является ограничитель обратного вращения штанг механического типа системы «Роталифт фирмы Highland/Corod, устанавливаемый между опорной частью и зажимом полированного штока (см. Композит-каталог нефтегазового оборудования и услуг, 1997-99гг) . По принципу действия данный ограничитель представляет собой муфту сцепления, тормозные колодки которой прижимаются к стальному барабану, когда угловая скорость обратного вращения достигает заданной критической величины При снижении скорости ниже критической тормозные колодки отжимаются и выходят из сцепления с барабаном, при этом штанги
могут свободно вращаться в любом направлении.
Задачей изобретения является повышение надежности привода штанговой винтовой установки, а также упрощение его конструкции и монтажа.
Поставленная задача решается тем, что тормоз обратного вращения размещается внутри опорного корпуса между подшипниками вала, причем для удобства монтажа и сообщения внутренних полостей корпуса, заполненных смазкой, тормозное устройство устанавливается с радиальным зазором относительно внутреннего диаметра корпуса и фиксируется в нем посредством стопорных съемных элементов.
В дальнейшем изобретение поясняется описанием и сопровождается чертежами, где на фиг. 1 представлена схема привода винтового штангового насоса с тормозным устройством, установленным внутри корпуса между подшипниками приводного вала, а на фиг. 2 показано поперечное сечение А - А опорного корпуса в месте размещения тормозного устройства.
Установка винтового штангового насоса состоит из скважинного насоса, поверхностного привода и колонны насосных штанг (диаметром 19-25 мм), состоящей из отдельных соединенных на резьбе стержней длиной 8м , и передающей вращение от привода к насосу.
Приводной вал и винт насоса расположены на значительном расстоянии друг от друга (500 - 2000 м), поэтому при пуске насоса на номинальный режим подачи происходит закручивание верхнего сечения колонны штанг на угол
где М - момент сил сопротивления на винте; / - длина колонны штанг; G - модуль сдвига материала штанг, J - полярный момент инерции сечения; k - коэффициент учитывающий невертикальность скважины и влияние сил трения колонны о стенки НКТ и в центраторах.
Если пренебречь влиянием сил трения и принять, что скважина абсолютно вертикальная kv - 1.
Момент сил сопротивления на винте (в нижнем сечении колонны штанг)
q - -к , v GJ
PV .
Модуль сдвига для стали G  0,8-105 МПа
При использовании колонны штанг диаметром d 22 мм и насоса диаметром 60 мм с рабочим объемом V - 0,08 л (что соответствует подаче Q  20 м3/сут при частоте вращения штанг п  200 об/мин) при глубине спуска насоса /  1000 м, давлении Р  10 МПа угол закручивания составит
Таким образом, верхнее сечение колонны штанг закручиваются на 18 оборотов и при вращении колонна находится в упругодеформированном состоянии.
В случае, если в состав поверхностного оборудования не входит элемент препятствующий обратному вращению штанг, после остановки приводного двигателя при освобождении энергии упругой деформации колонны штанг могут произойти осложнения и аварии, связанные с отвинчиванием резьб колонны.
Этот процесс усиливается еще и тем, что после остановки насоса происходит также выравнивание уровней жидкости внутри колонны НКТ и в затрубном пространстве скважины, которое сопровождается переходом насоса в двигательный режим с вращением винта против часовой стрелки (глядя с поверхности).
В этой связи большинство штанговых винтовых насосных установок оснащаются специальными устройствами, препятствующими или замедляющими обратное вращение штанг. Во всех известных конструкциях установок такие тормозные устройства (механического или гидравлического типа) выполняются в виде отдельного узла и устанавливаются либо на конце приводного вала (преимущественно между корпусом и зажимом полированного штока), либо на валу приводного двигателя. Такое техническое решение усложняет компоновку привода (в связи с необходимостью обеспечения дополнительного крепления) и повышает требования к монтажу элементов привода.
В предлагаемой заявке тормозное устройство 4 (фиг. 1) не является отдельным узлом, а входит в общую сборку опорного корпуса 1 привода и размещается внутри корпуса между коническим радиально-упорным 2 и шариковым радиальным 3 подшипниками.
Тормозное устройство содержит ступицу 1 (фиг. 2), закрепленную на приводном валу; наружную обойму 2, которая зафиксирована от вращения относительно опорного корпуса с помощью стопорных съемных элементов 3; клиновые сухари 4, расположенные в пазах направляющих элементов 5 и поджатые к ступице пластинчатыми пружина. nd4
р  6607°.
С целью предотвращения осевого перемещения наружной обоймы с сухарями и направляющими, а также от попадания продуктов износа в нижнюю полость подшипникового узла опорного корпуса, тормозное устройство снабжено стопорными шайбами.
Для уменьшения радиального габарита опорного корпуса и сообщения в нем внутренних полостей внутренний размер стопорных съемных элементов выполнен больше наружного диаметра нижнего роликового конического подшипника, что вносит свою специфику в общую сборку привода. В начале устанавливается наружное кольцо роликового конического подшипника. Затем на корпусе закрепляются стопорные элементы. Приводной вал в сборе (с шариковым подшипником, тормозным устройством и внутренним кольцом с роликами конического подшипника) устанавливается в опорный корпус.
Привод винтового штангового насоса со встроенным в опорный корпус тормозным устройством и заполненный жидкой смазкой работает следующим образом.
При пуске двигателя (приводной вал вращается по часовой стрелке глядя с верху) за счет сил трения клиновые сухари увлекаются ступицей отжимая пластинчатые пружины. При этом между сухарями и направляющими возникает зазор, что уменьшает силу трения и происходит скольжение ступицы по сухарям.
При установившемся режиме работы за счет специальных угловых фасок на передних торцах сухарей образуется гидравлический «клин и последние отодвигаются от ступицы, образуя зазор. Таким образом, устраняется «сухое трение, что приводит к уменьшению механических потерь и скорости износа деталей тормоза.
При остановке двигателя приводной вал начинает вращаться в обратном направлении (вследствие причин описанных выше). Пластинчатые пружины досылают сухари в клиновой паз, создавая, тем самым, момент сопротивления на приводном валу. Сила трения между сухарями и ступицей зависит как от площади контакта, так и от скорости обратного вращения - чем больше скорость, тем больше тормозная сила возникающая между сухарями и ступицей. Путем подбора размеров пар трения можно добиться автоматического притормаживания приводного вала (при значительном крутящем моменте на колонне насосных штанг), либо его полной остановки.
Таким образом, предложенное техническое решение обеспечивает высокую надежность работы привода глубинно-насосной установки и колонны штанг во всех его режимах и циклах.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1.Привод винтового штангового насоса, включающий опорный корпус, внутри которого на подшипниках качения установлен приводной вал, связанный через ременную или зубчатую передачу с приводным двигателем и через подвешивающее устройство (хомут) с колонной вращающихся насосных штанг, и тормозное (замедляющее обратное вращение штанг после остановки двигателя) устройство, отличающееся тем, что с целью повышения надежности привода устройство размещено внутри корпуса между подшипниками вала, причем для удобства монтажа и сообщения внутренних полостей корпуса, заполненных смазкой, тормозное устройство установлено с радиальным зазором относительно внутреннего диаметра корпуса и зафиксировано в нем посредством стопорных съемных элементов.
2.Привод винтового штангового насоса по п. 1, отличающийся тем, что нижний подшипник выполнен в виде роликового конического подшипника, а внутренний размер стопорных съемных элементов превышает наружный диаметр наружного кольца конического подшипника.