СТАНОК-КАЧАЛКА
PUMPING UNIT

Изобретение относится к наземным устройствам привода глубинных насосов и может быть использовано для привода штанговых насосов нефтяных скважин.
Известен устанавливаемый на устье скважины станок-качалка, содержащий нижнюю и верхнюю балки. Между балками установлены по меньшей мере два шарико-винтовых привода, гайки которых соединены траверсой. На траверсе фиксируется полированный шток. Винт одного из приводов соединен с реверсивным двигателем и посредством цепной передачи - с другим винтом. Реверсирование направления вращения электродвигателя обеспечивает возвратно-поступательное движение траверсы [патент США №5404767].
Станок-качалка имеет следующие недостатки:
- привод во вращение от двигателя осуществляется на один из винтов, а на другие вращение передается при помощи цепной передачи, поэтому пары винт-гайка находятся в неравных условиях вследствие значительных люфтов цепной передачи, что может привести к перекосу траверсы;
- не уравновешен вес колонны штанг, что приводит к увеличению мощности электродвигателя и перерасходу электроэнергии.
Наиболее близким техническим решением (прототипом) является станок-качалка, содержащий установленный на стойке балансир с противовесом и головкой с подвеской для крепления полированного штока. Возвратно-поступательное движение балансира осуществляется посредством гидропривода типа поршень-цилиндр, установленного рядом с противовесом. Шток поршня и корпус цилиндра гидропривода шарнирно соединены с балансиром и рамой станка-качалки, соответственно. Гидропривод станка-качалки осуществляется при помощи подачи давления от гидронасоса с приводом от электродвигателя [патент Великобритании №1222422].
Недостатком станка-качалки является значительная сложность гидропривода, что приводит к снижению надежности работы станка-качалки. Кроме того, вязкость жидкости гидропривода при низких температурах значительно увеличивается. Это приводит к увеличению гидравлического сопротивления, расхода электроэнергии и возможности выхода из строя электродвигателя.
Задачей изобретения является увеличение надежности работы станка-качалки с возможностью работы при низких температурах.
Для решения указанной задачи в известном станке-качалке, содержащем раму, стойку, балансир с противовесом и головкой, а также привод для преобразования вращения двигателя в возвратно-поступательное движение, установленный в корпусе и шарнирно-сочлененный с балансиром, привод выполнен в виде пары винт-гайка качения и соединен с реверсивным электродвигателем, шарнирно-сочлененным с рамой, причем элемент привода, шарнирно-сочлененный с балансиром, находится в подвижном соединении с корпусом и его ход ограничен по меньшей мере одним датчиком перемещения и демпферами, а вращающийся элемент соединен с валом электродвигателя; гайка привода, находящаяся в подвижном соединении с корпусом, перемещает балансир посредством полого штока, охватывающего винт, причем верхний конец винта установлен в подшипнике, соединенном с корпусом при помощи кронштейнов, проходящих через прорези в полом штоке, а винт привода соединен с валом реверсивного электродвигателя; полый шток находится в гофрированном рукаве и шарнирно сочленен с балансиром, а корпус содержит эластичную оболочку, наружная поверхность которой сообщается с атмосферой; полый шток соединен с уплотненным кожухом, шарнирно-сочлененным с балансиром и входящим в подвижное соединение с корпусом; винт привода, находящийся в подвижном соединении с корпусом, перемещает балансир посредством уплотненной штанги, находящейся в гофрированном рукаве, а гайка привода соединена с валом реверсивного электродвигателя посредством патрубка, охватывающего винт, и установлена в подшипнике, соединенном с корпусом.
Указанные признаки позволяют устранить недостатки, присущие прототипу, за счет использования привода типа винт-гайка качения, обеспечивающего прямое преобразование вращения в возвратно-поступательное движение без использования промежуточного масляного насоса высокого давления и гидравлической системы.
На фиг.1 схематично изображена конструкция станка-качалки. На фиг.2 и 3 схематично приведены различные конструкции одного варианта осуществления привода, на фиг.4 - узел крепления верхнего подшипника винта, а на фиг.5 - другой вариант осуществления привода.
Станок-качалка содержит раму 1, установленную на ней стойку 2 с балансиром 3 и противовесом 4. Головка 5 балансира 3 соединена тросами с подвеской 6 для крепления полированного штока. Привод 7 типа винт-гайка качения служит для преобразования вращения реверсивного электродвигателя 8 в возвратно-поступательное движение балансира 3. Привод 7 и реверсивный электродвигатель 8 соединены с балансиром 3 и рамой 1 при помощи шарниров 9 и 10, соответственно.
Гайка 11 (фиг.2) находится в подвижном соединении с корпусом 12 привода 7 посредством шпоночного соединения 13 и соединена с полым штоком 14, охватывающим винт 15, соединенный с валом 16 реверсивного электродвигателя 8. Концы винта 15 установлены в подшипниках 17 и 18. Верхний подшипник 18 соединен с корпусом 12 при помощи кронштейнов 19, проходящих через прорези 20 в полом штоке 14 (фиг.4), обеспечивая фиксированно-фиксированный способ крепления привода. Внутренняя полость корпуса 12 герметизирована снизу кольцевым уплотнением 21.
Для обеспечения реверса электродвигателя 8 в верхней и нижней части корпуса 12 установлены датчики 22 и 23 перемещения, соединенные со станцией управления двигателем (не показана). Расстояние между датчиками 22, 23 соответствует длине хода станка-качалки. Плавность остановки в верхней и нижних точках перемещения станка-качалки обеспечивается станцией управления заданным режимом вращения электродвигателя 8, а также демпферами 24 и 25. Может быть также установлен только один датчик перемещения 21 или 22, а длина хода может отсчитываться по числу оборотов реверсивного электродвигателя 8.
Длина хода станка-качалки постоянна, а производительность станка-качалки при данном диаметре насоса плавно регулируется числом оборотов электродвигателя 8 и соответствующим им числом качаний. При необходимости может также регулироваться длина хода отсчетом числа оборотов двигателя 8 относительно одного из датчиков 21 или 22.
Полый шток 14 защищен гофрированным рукавом 26, а корпус 12 содержит эластичную оболочку 27, наружная поверхность которой сообщается с атмосферой. Полый шток 14 может быть охвачен цилиндрическим кожухом 28 (фиг.3), герметизированным кольцевым уплотнением 29. Кожух 28 находится в подвижном соединении с корпусом 12 привода 7 посредством шпоночного соединения 30. Для предотвращения попадания пыли в полость кожуха 27 установлен фильтр 31.
В другом варианте осуществления привода (фиг.5) винт 15 находится в подвижном шпоночном соединении 32 с корпусом 12 и перемещает балансир 3 посредством штанги 33, защищенной гофрированным рукавом 34 и снабженной уплотнением 35. Гайка 11 привода соединена с валом 16 реверсивного электродвигателя 8 посредством патрубка 36, охватывающего винт 15, и установлена в подшипнике 37, соединенном с корпусом 12. Винт 15 содержит подшипники 38, соприкасающиеся с патрубком 36.
Станок-качалка работает следующим образом.
При вращении вала 16 реверсивного электродвигателя 8 винт 15 привода 7, вращаясь в подшипниках 17 и 18, передает момент вращения на гайку 11. Гайка 11, находящаяся в подвижном шпоночном соединении 13 с корпусом 12, вместе с полым штоком 14 совершает возвратно-поступательное движение, причем шток 14 перемещается относительно кронштейнов 19, проходящих через прорези 20. Полый шток 14 посредством шарнира 9 передает возвратно-поступательное движение установленному на стойке 2 балансиру 3 с противовесом 4, а также головке 5 и подвеске 6 полированного штока привода штангового насоса. При этом реверсивный двигатель 8 качается в шарнире 10 относительно рамы 1, а привод 7 перемещается вместе с балансиром 3 при помощи шарнира 9. При приближении гайки 11 к верхней или нижней точкам датчиком перемещения 22 или 23 выдается сигнал на реверсивный электродвигатель 8, который плавно замедляет вращение при взаимодействии с демпфером 24 или 25 до полной остановки и последующего реверса.
При перемещении полого штока 14, изолированного гофрированным рукавом 26, происходит изменение объема корпуса 12, изолированного снизу уплотнением 21, которое компенсируется эластичной оболочкой 27.
При перемещении полого штока 14 и соединенного с ним цилиндрического кожуха 28 (фиг.3), герметизированного кольцевым уплотнением 29, находящегося в подвижном соединении с корпусом 12 посредством шпоночного соединения 30, изменение объема привода 7 значительно, и воздух проходит в образующиеся полости через фильтр 31, предотвращая попадание пыли в полость корпуса 12.
В другом варианте осуществления привода (фиг.5) электродвигатель 8 вращает патрубок 36, охватывающий винт 15, которые взаимодействуют посредством подшипника 38. Патрубок 36 передает момент вращения на гайку 11, вращающуюся в подшипнике 37. Винт 15, находящийся в шпоночном соединении 32 с корпусом 12, перемещает уплотненную 35 штангу 33, защищенную от окружающей среды гофрированным рукавом 34. При реверсировании направления вращения электродвигателя 8 винт 15 вместе со штангой 33 совершает возвратно-поступательное движение, передаваемое на балансир 3 посредством шарнира 9. В остальном, привод работает аналогично представленному на фиг.2 и 3.
В качестве привода винт-гайка качения может быть использован шарико- или ролико-винтовой привод.