RU168390U1 - Линейный реечный привод штангового глубинного насоса для добычи нефти - Google Patents

Abstract

Линейный реечный привод штангового глубинного насоса для добычи нефти, содержит рейку цилиндрической формы со сквозным замкнутым отверстием или открытым каналом, опорный подшипниковый узел для подвеса штанг или штанговращатель. Цилиндрическая форма рейки является самой простой в изготовлении, так как направляющие образованы одной поверхностью, такую форму проще всего реализовать на практике. Опорный подшипниковый узел или штанговращатель, исключает передачу крутящего момента, возникающего при работе от насоса и штанг в скважине, к рейке, что позволяет избавиться от дополнительных направляющих для фиксации рейки в радиальном направлении относительно своей оси. Форма сквозного канала выбирается в соответствии с технологическими возможностями производства.

Description

Область техники.

Заявляемая полезная модель относится к области нефтяного машиностроения, а именно к насосным системам для добычи нефти с помощью установок штанговых глубинных насосов (УШГН).

Уровень техники.

В мировой практике наиболее широко распространенными насосными системами для добычи нефти из малодебитных и среднедебитных скважин являются установки глубинных штанговых насосов (УШГН). Общие признаки этих установок следующие:

1) Рабочим органом насосной системы является глубинный насос объемного типа совершающий линейное возвратно-поступательное движение, среди которых наиболее распространены плунжерные насосы. Эти насосы размещаются непосредственно в нефтедобывающей скважине.

2) Трансмиссия на базе штанговой колонны (подвески) с находящимся в ее верхней части устьевым (полированным) штоком. Она связывает поверхностный привод с глубинным насосам. С ее помощью передается насосу механическая энергия, необходимая для осуществления линейного возвратно-поступательного движения.

3) Поверхностный привод (электромеханический преобразователь) с помощью которого электрическая энергия преобразуется в механическую энергию линейного возвратно-поступательного движения. Эта энергия через штанговую подвеску передается глубинному штанговому насосу (ШГН) для совершения работы по подъему пластовой жидкости из скважины.

4) Система управления (СУ) с помощью которой осуществляется управление работой насосной установки, и защита последней от аварийных ситуаций.

Наиболее традиционными видами поверхностного привода УШГН являются балансирные станки качалки (СК). При их высокой долговечности, надежности и ремонтопригодности данный вид привода имеет существенные недостатки. Главные из которых необходимость строительства под них массивного фундамента и неоптимальный закон движения выходного звена, связанного со штанговой колонной [см. 1 - В.Н. Ивановский «Повышение интереса к штанговым насосным установкам» - «Территория НЕФТЕГАЗ» №8, август 2013 г. с. 46-47]. Действительно синусоидальный закон движения трансмиссии УШГН с СК приводит к возникновению больших напряжений в трансмиссии УШГН, что снижает надежность работы как самой штанговой колонны, так и глубинного штангового насоса плунжерного типа. - [см. 2 - Галимуллин М.Л. «Разработка технических средств повышения работоспособности скважинных плунжерных насосов» - Автореферат на соискание ученой степени кандидата технических наук - г. Уфа, 2004 г., 25 с.]

Оптимизация закона движения выходного узла привода (поддержание постоянной скорости на всей длине рабочего хода) была достигнута в других видах привода УШГН. Это, прежде всего цепной привод (ЦП) для УШГН [см. 3. - Валовский В.М., Валовский К.В. «Цепные приводы скважинных штанговых насосов» - ОАО «ВНИИОЭНГ», Москва, 2004 г., 492 с.], и гидравлический привод (ГП) для УШГН [см. 4 - А. Дроздов «Гидроприводные насосы для осложненных условий» - Нефтегазовая вертикаль - №11, 2010 г., с. 38-42]. Однако из-за сложности кинематической схемы преобразования вращательного движения электродвигателя в линейное возвратно-поступательное движение штанговой колонны, цепной привод существенно уступает в надежности станку качалке [см. 1 - В.Н. Ивановский «Повышение интереса к штанговым насосным установкам» - «Территория НЕФТЕГАЗ» №8, август 2013 г. с. 46-47]. Кроме того, для его установки на скважине также необходим массивный фундамент. А гидропривод хотя и позволяет обеспечить самые оптимальные характеристики для работы, но также является очень сложной системой, недостатки которой особенно сильно проявляются при работе в условиях эксплуатации при низких температурах окружающего воздуха.

Перечисленные выше недостатки привели к созданию линейного электромеханического привода УШГН на базе реечной передачи, которые предложено называть «линейный реечный привод УШГН» [см. 1 - В.Н. Ивановский «Повышение интереса к штанговым насосным установкам» - «Территория НЕФТЕГАЗ» №8, август 2013 г. с. 46-47]. В настоящий момент этот вид привода, запатентованный и производимый компанией Unico. Inc (США) под маркой LRP, успешно внедряется на нефтяных промыслах всего мира.

Наиболее близкое техническое решение по своей сущности и достигаемому эффекту к заявляемому устройству полезной модели является запатентованное компанией Unico. Inc (США) изобретение «Устройство линейного штангового насоса и способ его эксплуатации» [см. 5 - Патент США № US 8152492 В2, МКП F04B 17/00, опубл. 10.04.2012 г., приор. 12.06.2006 г.]. Остановимся на особенностях прототипа, который по своим отличительным признакам представляет из себя устройство привода УШГН его СУ и способ управления этим устройством. В патентной формуле прототипа описано устройство линейной штанговой насосной системы, обеспечивающее возвратно-поступательное вертикальное движение штанговой колонны глубинного штангового насоса (ШГН), при этом устройство содержит:

Линейный механический привод, состоящий из:

- из корпуса установленного на фланце колонной головки;

- вертикально расположенного подвижного элемента, связанного со штанговой колонной УШГН, с помощью которого обеспечивается управляемое возвратно-поступательное вертикальное движение штанговой колонны глубинного насоса;

- реверсивного двигателя, имеющего обратимо вращающийся элемент функционально соединенный с вертикально подвижным элементом.

Взаимодействие в линейном механическом приводе осуществляются таким образом, чтобы обеспечивалась фиксированная взаимосвязь между угловым положением вращающегося элемента электродвигателя и перемещением вертикально подвижного элемента, обратимо с возможностью разворота (реверса). Двигатель попеременно вращается сначала в прямом направлении при первой части хода насоса (стадия ход плунжера вверх), а затем в обратном направлении при протекании второй части хода насоса (стадия ход плунжера вниз);

Устройство линейного механического привода включает в себя зубчатую реечную передачу, состоящую из стойки с сформированной на ней зубчатой рейкой и ведущей шестерни, приспособленное для работы в вертикальном направлении для обеспечения возвратно-поступательного движения стойки вдоль оси рабочего хода насоса. Стойка зубчатой рейки функционально соединена с зубчатым венцом ведущей шестерни, а эта шестерня функционально соединена с вращающимся валом двигателя. Таким образом, вращение электродвигателя в прямом направлении, обеспечивает движение стойки зубчатой рейки вертикально вверх вдоль оси рабочего хода насоса, а движение стойки рейки вертикально вниз, сопровождается вращением двигателя в обратном направлении, противоположном прямому направлению хода насоса. Стойка зубчатой рейки функционально соединена с устьевым штоком штанговой колонны для передачи усилия. Стойка имеет в ее верхнем конце приспособление (узел) для оперативного прикрепления штока штанговой колонны. В стойке имеется продольно направленное отверстие, проходящие вдоль оси рабочего хода насоса от нижнего конца стойки к верхней части стойки. Шток имеет возможность перемещения внутри стойки в отверстии. Устройство линейного механического привода дополнительно включающее в себя крепежный зажим (фиксатор), обеспечивающий жесткое крепление штока штанговой колонны к стойке. Крепежный зажим (фиксатор) обеспечивает опору и осуществляет передачу усилия к верхнему концу штанговой колонны от стойки реечного привода.

Стойка реечного привода, имеющая U-образное поперечное сечение, образующее продольно направленное отверстие в стойке, в форме открытого канала, расположенного вокруг оси рабочего хода насоса, а с наружной поверхности центральной части стойки, направленной противоположно от ножек, имеются зубья для зацепления с соответствующими зубьями венца ведущей шестерни;

Устройство линейного штангового насоса также имеет одни или более направляющих роликовых подшипника. Они размещены продольно против ножек стойки и напротив шестерни, для обеспечения зацепления зубьев стойки реечного механизма с зубчатым венцом ведущей шестерни;

Устройство линейного штангового насоса, имеет пару направляющих опор, размещаемых с боков ножек стойки, напротив друг друга, для принудительного удержания стойки в положении, обеспечивающем зацепление зубьев стойки с венцом ведущей шестерни.

Дополнительные пункты патентной формулы раскрывают следующее:

2 и 3 пункт патентной формулы раскрывают особенности конструкции места расположения ведущей шестерни в линейном механическом приводе.

В 4 пункте патентной формулы сообщается о том, что устройство может дополнительно содержать механический редуктор (коробку) размещенную между электродвигателем и ведущей шестерней.

В 5 пункте патентной формулы сообщается о том, что применяемый по п. 4 механический редуктор представляет из себя редуктор конического типа, благодаря чему ось вращения ведущей шестерни имеет перпендикулярное направление относительно оси рабочего хода насоса.

6 пункт патентной формулы раскрывает особенности системы управления (СУ) линейным реечным приводом насосной установки, которое обеспечивает работу электродвигателя в «двигательном» режиме при движении стойки вверх (прямое вращение электродвигателя) при восходящей части рабочего хода насоса; и обеспечивает работу двигателя в режиме торможения (электродвигатель работает в «генераторном» режиме), при движении стойки вниз при нисходящей части рабочего хода насоса. Кроме того, система управления включает в себя элемент хранения энергии, для накопления энергии, вырабатываемой в режиме торможения работы электродвигателя (когда электродвигатель работает в генераторном режиме), в котором расположен блок для использования накопленной энергии, обеспечивающий передачу накопленной энергии электродвигателю во время работы электродвигателя в двигательном (нагруженном) режиме. Система управления также может включать в себя рассеивающий элемент для обеспечения рассеивания энергии, вырабатываемой электродвигателем в режиме торможения его работы, при этом устройство управления избирательно настраивается для работы одного или другого из элементов накопителя энергии и элемента рассеивания энергии.

7, 8 и 9 пункты патентной формулы раскрывают сведения о том, что устройство дополнительно содержит в своем составе масляной поддон (ванну, картер), расположенную ниже нижнего конца стойки, и сконфигурированное для удержания в нем объема смазки, и для погружения в него нижней концевой части стойки, в результате чего обеспечивается смазка стойки при ее рабочем перемещении. Нижняя часть стойки погружается в смазку, находящуюся в поддоне, в течение по меньшей мере части каждого рабочего хода насоса. Поддон (ванна, картер) образована двумя трубами, герметично соединенными внизу, образуя жидкостную кольцевую полость между ними, для заполнения в эту полость объема смазки, которая закачивается в верхнюю часть этой кольцевой полости. Внутренняя трубчатая стенка поддона расположена вокруг устьевого штока, и свободно помещается внутри отверстия рейки для обеспечения хода, а внешняя стенка трубчатого отстойника расположена вокруг рейки.

10 и 11 пункты патентной формулы сообщают о том, что устройство дополнительно может содержат упругий элемент, расположенный внутри полости в отстойнике, ниже нижнего конца стойки. Он обеспечивает появление в системе направленного вверх усилия приложенного к нижнему концу стойки, в случае если нижний конец стойки вышел за пределы разрешенного нормального нижнего положении стойки во время протекания рабочего хода. Упругий элемент может быть сконфигурирован и для формирования направленного вверх усилия, прилагаемого к нижнему концу стойки в течение части каждого рабочего хода глубинного штангового насоса. Согласно описанию изобретения упругий элемент может быть выполнен в виде пневмоцилиндра, в котором воздух сжимается при ходе стойки вниз, и расширяется при ходе стойки вверх. Последнее позволяет использовать энергию, высвобождаемую на стадии хода ШГН вниз, для использования при работе на стадии хода ШГН вверх.

Выбранное в качестве, прототипа техническое решение обладает великолепными качествами, позволяющими обеспечивать гибкий оптимальный рабочий цикл с возможностью отдельного управления скоростью движения штанговой колонны (а значит и плунжера) насоса на любой из стадий, в том числе обеспечить возможность введения стадии ожидания между стадиями «ход вверх» и «ход вниз». Кроме того, для использования таких устройств нет необходимости в использовании массивных капитальных фундаментов на устье скважины. Привод целиком крепится непосредственно к фланцу обсадной колонны.

Недостатком технического решения, выбранного в качестве прототипа является то, что в данной конструкции направляющие рейки образованы четырьмя плоскими поверхностями, изготовление которых с заданной точность является сложной и трудоемкой задачей как в корпусе, так и на самой рейке, и требующие механизмов настройки зазоров.

Раскрытие предлагаемого технического решения.

Целью заявляемой полезной модели является упрощение конструкции реечного узла и расширение эксплуатационных возможностей.

Поставленная цель достигается благодаря тому, что в известном устройстве линейного реечного привода глубинного штангового насоса, состоящего из следующих компонентов:

- электроприводного узла, электродвигателя (4) с находящемся на его валу редуктором (5) или мотор-редуктора (сформированного в едином корпусе электродвигателя и связанного с коническим редуктором);

- реечной передачи (механизма), состоящей из зубчатой рейки (8), приспособленной для работы в вертикальном направлении для обеспечения возвратно-поступательного движения стойки вдоль оси рабочего хода насоса, и ведущей шестерни реечной передачи (11) с осью перпендикулярной оси рабочего хода насоса, функционально соединенной с выходным элементом электроприводного узла;

- узла крепления устьевого штока штанговой колонны (10) (опоры полированного штока);

- направляющих (12), расположенных в корпусе сверху и снизу шестерни, для фиксации и направлении рейки в положении, обеспечивающем зацепление зубьев рейки с венцом ведущей шестерни;

Устройство может дополнительно содержать следующие элементы:

- поддон (картер) со смазкой, обеспечивающий смазку реечного механизма за счет погружения в него нижней части рейки,

- упругий элемент (9), предназначенный для опоры рейки в нижнем положении при остановках, ремонтах, и для предотвращении выхода ее за пределы рабочего диапазона в случае отказа оборудования, так же, он может быть сконфигурирован и для формирования направленного вверх усилия, прилагаемого к нижнему концу рейки во время хода в верх.

Стойка зубчатой рейки имеет округлое сечение в виде сегмента круга, причем зубцы реечной передачи сформированы в области хорды сегмента.

Штанговая подвеска опирается на подшипниковый узел, при этом исключается крутящий момент возникающий при работе от насоса и штанг, что позволяет избавиться от необходимости фиксации рейки в радиальном направлении относительно своей оси. Опорный подшипниковый узел может располагаться в рейке сверху снизу и в любом месте по ее телу.

Также в рейке может быть сквозной по ее длине открытый канал, ось которого параллельна оси рабочего хода глубинного штангового насоса, канал размещен напротив зубьев реечной стойки и предназначен для размещения в нем полированного штока.

Варианты формы сечения сквозного открытого канала могут быть следующие:

1) круглой формы (Фиг. 5);

2) прямоугольной формы, имеющей связь с внешней круговой поверхностью стойки;

3) комбинированной из двух сливающихся фигур круга и прямоугольника (Фиг. 6, Фиг. 7).

Устройство может содержать электроприводной или механический штанговращатель предназначенный для принудительного вращения штанг. Который устанавливается на подшипниковую опору.

Основное отличие заявляемого технического решения от прототипа заключается в том, что вместо стойки U-образного (П-образного) сечения стойка имеет округлое сечение. Фактически она может изготавливаться из цельного металлического кругового профиля путем проведения токарных, фрезерных и сверлильных операций. Данная конструкция является самой простой в изготовлении, так как направляющие образованы одной цилиндрической поверхностью, такую форму проще всего реализовать на практике. В то время как в прототипе компании Unico Inc. (США) направляющих поверхностей не менее четырех.

Так же имеется опорный подшипниковый узел, который исключает крутящий момент, возникающий при работе насоса от штанг в скважине, что позволяет избавиться от необходимости дополнительных направляющих для фиксации рейки в радиальном направлении относительно своей оси.

На ее основе спроектирован линейный реечный привод УШГН грузоподъемностью 12 т с длиной рабочего хода 3 м.

Суть полезной модели поясняется чертежами.

Описание чертежей

На Фиг. 1, Фиг. 2, Фиг. 3 и Фиг. 4 представлена общий вид и разрез линейного штангового привода установки для добычи нефти, в соответствии с заявляемой полезной моделью.

В схеме приняты следующие обозначения:

1 - Опора

2 - Основание

3 - Устьевой шток

4 - Электродвигатель

5 - Редуктор

6 - Крышка-направляющая.

7 - Корпус

8 - Рейка

9 - Демпфер

10 - Опора подшипниковая

11 - Шестерня

12 - Направляющие.

На Фиг. 5, Фиг. 6 и Фиг. 7 представлено поперечное сечение рейки с вариантами формы канала (отверстия).

Устройство работает следующим образом.

Привод насоса устанавливается непосредственно на устье скважины на фланец устьевой арматуры и крепится при помощи опоры 1 шпильками. Основание 2 предназначено для установки корпуса 7 на заданной высоте, и служит масляной ванной для смазки рейки 8 и шестерни 11. В корпусе 7 установлены направляющие 12 для фиксации рейки 8 и шестерня 11. На корпусе 7 установлен редуктор 5 с электродвигателем 4 приводящий во вращение шестерню. Реверсивный электродвигатель 4 соединенный с реечным механизмом через редуктор 5 и шестерню 11, двигает рейку вверх и вниз для хода устьевого штока 3. Во время каждого хода стойка смазывается погружением в масло налитое в основание 2.

Устьевой шток 3 проходит через канал внутри рейки и поддерживается сверху подшипниковой опорой 10 над центром устья скважины. Устьевой шток не фиксирован вдоль оси, и способен двигаться внутри рейки в случае прихвата штока или насоса.

Демпфер 9 предназначен для опоры рейки в нижнем положении при остановках ремонтах, и для предотвращении выхода ее за пределы рабочего диапазона в случае отказа оборудования.

Примеры реализации технического решения.

У авторов заявляемого в качестве полезной модели технического решения имеется пример разработанной конструкции линейного привода штангового глубинного насоса (ЛПШГН).

Первое решение включает в себя ЛПШГН заявляемой конструкции с подшипниковой опорой, которая исключает крутящий момент возникающий при работе от насоса и штанг в скважине.

Второе решение включает в себя ЛПШГН заявляемой конструкции с штанговращателем предназначенным для принудительного вращения штанг. Который устанавливается на подшипниковую опору. И использует косые направляющие и храповой механизм для преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное.

Claims (3)

1. Линейный реечный привод штангового глубинного насоса для добычи нефти, включающий в себя электроприводной узел, реечную передачу, состоящую из стойки с зубчатой рейкой, ведущей шестерни реечной передачи, функционально соединенной с выходным элементом электроприводного узла, узла присоединения полированного штока штанговой колонны, отличающийся тем, что стойка зубчатой рейки имеет округлое сечение, и имеется опорный подшипниковый узел для опоры штанговой подвески.

2. Линейный реечный привод штангового глубинного насоса для добычи нефти по п.1, отличающийся тем, что содержит электроприводной или механический штанговращатель, установленный на подшипниковую опору.

3. Линейный реечный привод штангового глубинного насоса для добычи нефти по п. 1, отличающийся тем, что рейка выполнена со сквозным по ее длине открытым каналом, предназначенным для размещения в нем полированного штока, ось которого параллельна оси рабочего хода глубинного штангового насоса.

Images