Линейный привод штангового глубинного насоса

Полезная модель относится, в широком смысле, к технологии механизированной добычи нефти, а точнее - к конструкции технических средств, обеспечивающих реализацию этой технологии.
К настоящему времени наибольшее распространение в качестве установок привода штанговых глубинных насосов (ШГН) получили балансирные станки-качалки (СК). Данный тип привода имеет значительные преимущества, такие как высокая надежность, долговечность и энергоэффективность.
Типичная конструкция СК содержит балансир с головкой, связанный с редуктором посредством кривошипов через шатуны с пальцами, и канатную подвеску полированного штока с винтами динамометрирования. Балансир установлен на основании с рамой. Правая часть балансира с противовесами, траверсой и шатунами, отсоединенными от кривошипов, всегда тяжелее левой части балансира с его головкой и канатом канатной подвески. В связи с этим вращающий момент балансира направлен по часовой стрелке и его компенсирует колонна штанг насоса, посаженная на зажим [SU 1333838].
Типичными недостатками практически любого СК являются:
1. Высокая металлоемкость и относительно высокая стоимость транспортировки;
2. Необходимость подготовки бетонного основания или свайного поля перед монтажом привода (капитальные затраты);
3. Высокая стоимость замены СК или ее узлов вследствие большой массы;
4. Низкий срок службы редуктора из-за 100% продолжительности включения;
5. Неудовлетворительное центрирование канатной подвески, обусловленное неточностью изготовления головки балансира и приводящее к ускоренному износу устьевого уплотнения;
6. Неудобство перестановки пальцев шатунов;
7. Высокая трудоемкость перемещения противовесов в процессе уравновешивания;
8. Наличие большого числа открытых движущихся механизмов.
Последние десять лет ведутся интенсивные работы в направлении создания принципиально нового привода ШГН, отличающегося мобильностью, надежностью, невысокой стоимостью и простотой обслуживания. В этом плане представляется возможным выделить две идеологии, основанные на использовании различных принципов механического преобразования вращательного движения двигателя в возвратно-поступательное перемещение рабочего органа, под которым понимается полированный шток привода ШГН. Условно эти принципы можно определить как винтовой и реечный, т.е. заключающиеся в использовании винтового и реечного механизмов соответственно, которые совместно с двигателем и трансмиссиями образуют, так называемые, линейные приводы ШГН.
Известен линейный привод ШГН, содержащий опору, на которой установлен мотор-редуктор с жестко укрепленной на нижнем конце его ведомого вала гайкой и ходовой винт, жестко соединенный со штангой. На ходовом винте выполнены попарно противоположно направленные ленточные нарезки, при этом в каждой паре верхние выходы ленточных нарезок, как и нижние выходы, выполнены с плавным переходом друг в друга, образуя бесконечную ленту. В гайке напротив каждой нарезки ходового винта выполнено сквозное горизонтально расположенное отверстие, в которое вставлена с возможностью вращения соосно расположенная цилиндрическая обойма с выполненным на ней в форме горизонтального прямоугольника пазом со стороны ходового винта. В пазе цилиндрической обоймы размещен с возможностью вращения на оси горизонтально установленный ролик с выступающей наружу паза частью, которая введена в нарезку бесконечной ленты, состоящей из вышеупомянутых нарезок. Ведомый вал мотор-редуктора выполнен в виде трубы, а ходовой винт установлен в ведомом валу коаксиально, причем длина ведомого вала больше длины прямого или обратного хода ходового винта. Ведомый вал установлен в опоре на подшипниках [RU патент №2482332].
Благодаря выполнению ходового винта с попарно противоположно направленными ленточными нарезками, образующими бесконечную ленту, отпадает необходимость изменять направление вращения электродвигателя. Однако предлагаемая конструкция ходового винта представляется технологически сложно выполнимой и в условиях длительной, практически безостановочной эксплуатации - малонадежной. Износ ролика и ленточных нарезок способен значительно повлиять на работоспособность привода.
Использование реечного механизма в приводе ШГН в сравнении с винтовым выглядит более перспективным особенно в плане реализации вышеназванных требований, предъявляемых к приводам ШГН.
Известен линейный привод ШГН, который содержит неподвижно установленный на устье скважины и жестко связанный с последней посредством фланцевого соединения вертикальный корпус, снаружи которого смонтирован механизм привода, включающий зубчатую реечную передачу, образованную взаимодействующими зубчатой рейкой и зубчатой шестерней, первая из которых посредством штанги связана с полированным штоком насоса, а вторая через трансмиссию кинематически связана с реверсивным двигателем [US патент №8555984].
Несмотря на очевидные достоинства описанного привода ШГН, последний обладает рядом недостатков:
1. Технологическая сложность изготовления рейки с модулем значительной величины, что требует использования специального зуборезного и шлифовального оборудования, а также специальной термической поверхностной обработки зубьев;
2. Значительный износ (несмотря на применяемые материалы и термообработку) зубьев шестерни и рейки, являющийся следствием характера их взаимодействия, основанном на трении скольжения, что усугубляется значительными нагрузками на привод ШГН, что в конечном итоге приводит к существенному снижению его надежности;
3. Низкая ремонтоспособность, выражающаяся в необходимости замены всей рейки при разрушении или недопустимом износе хотя бы одного зуба.
Таким образом, задачей полезной модели является упрощение технологии изготовления реечной передачи, а также повышение надежности ее работы и улучшение условий проведения ремонтных работ.
Поставленная задача достигается за счет того, что в линейном приводе ШГН, включающем вертикальный корпус с фланцем для связи с устьем скважины, снаружи которого смонтирован механизм привода, включающий реечную передачу, образованную взаимодействующими между собой рейкой и зубчатой шестерней, первая из которых посредством штанги связана с полированным штоком насоса, а вторая через трансмиссию кинематически связана с реверсивным двигателем, шестерня и контактные элементы рейки имеют форму и геометрические параметры, соответствующие звездочке и цепи стандартной цепной передачи, при этом вращающиеся ролики цепи смонтированы на неподвижных осях, закрепленных на рейке, выполненной по меньшей мере, двухрядной. Привод, при этом, снабжен парой звездочек, установленных на его выходном валу, каждая из которых взаимодействует с роликами своего ряда рейки.
Технический результат полезной модели состоит в упрощении технологии изготовления рейки, повышением надежности ее работы и улучшении условий ремонта за счет выполнения ее контактных элементов по форме и геометрии контактных элементов стандартной цепной передачи.
На фиг. 1 дано схематическое изображение общего вида штангового глубинного насоса.
На фиг. 2 дано изображение поперечного сечения ШГН.
На фиг. 3 дано схематическое изображение поперечного сечения рейки ШГН.
Линейный привод ШГН содержит несущий корпус 1, выполненный в виде полой цилиндрической трубы, которая снабжена фланцем 2. соединяемым посредством болтового соединения 3 с устьем скважины, представленной трубой 4. Снаружи несущего корпуса 1 в его средней части смонтирован механизм привода ШГН, который включает реечную передачу, преобразующую вращательное движение электродвигателя в возвратно-поступательное движение рейки. Реечная передача образована звездочкой 5 и рейкой 6. Обе детали изготавливаются в соответствии с существующими стандартами на ценные передачи. Так звездочка 5, а точнее ее форма и геометрические параметры выбраны по ГОСТ 591-69, а элементы рейки, такие как ось 7 и ролики 8, соответствуют ГОСТ 13568-97 на роликовые цепи. Рейка 6 выполнена двухрядной, а оси 7 являются общими для обоих рядов (фиг. 3). На каждой оси 7 установлено по паре роликов 8, взаимодействующих со звездочками 5, объединенными в единый блок 9. Последний жестко связан с выходным валом 10 приводного механизма, включающего механическую трансмиссию 11 и реверсивный двигатель 12. Рейка 6 установлена с возможностью возвратно-поступательного перемещения в направляющих 13 и связана с помощью штанги 14 с полированным штоком (на чертежах не показан). Следует отметить, что форма и параметры деталей цепной передачи, использованные в предлагаемой конструкции, в совокупности образуют одну из разновидностей цевочной передачи, однако при этом отличны от нее. Параметры цевочной передачи по форме и геометрии регламентируются Руководящими техническими материалами по цевочному зацеплению (РТМ 31, 4005-76, Центральное бюро научно-технической информации Министерства морского флота, Москва, 1977, с. 81).
Работа линейного привода ШГН заключается в придании возвратно-поступательного перемещения цевочной рейке 6, а значит и связанному с ней штангой 14 полированному штоку насоса за счет реверсивного вращения электродвигателя 12 с частотой, задаваемой системой управления линейным приводом, которая отвечает и за длину хода.
Предложенное техническое усовершенствование воплощено в опытном образце, испытания которого позволили выявить следующие преимущества в сравнении с ШГН, снабженным традиционным реечным механизмом:
1. Уменьшается стоимость изготовления за счет использования более дешевых материалов (корпус рейки можно изготовить из конструкционной стали обыкновенного качества взамен легированных сталей);
2. Упрощается технология изготовления рейки - вместо дорогостоящей операции нарезания зубьев с использованием специального оборудования и инструмента можно применять универсальные оборудование и инструменты;
3. Используемые оси и ролики весьма технологичны, а их достаточное количество обеспечивает серийность производства;
4. Уменьшается материалоемкость и масса конструкции рейки;
5. Повышается ремонтопригодность за счет обеспечения возможности быстрой и легкой замены элементов рейки (осей и роликов) при выходе их из строя вследствие перегрузок или по иным причинам;
6. Уменьшается износ в процессе работы за счет трения качения в передаче;
7. Обеспечивается возможность передачи больших усилий за счет увеличения рядности передачи.