Обоснование параметров и разработка конструкции энергосберегающего привода штангового скважинного насоса (стр. 3 )

1 – ось, 2 – головка балансира, 3 – стяжка, 4 – опора траверсы, 5 – траверса, 6 – тело балансира, 7 – опора балансира, 8 – винт установочный, 9 – стойка, 10 – противовес, 11 – силовой блок, 12 – ограждение, 13 – лестница, 14 – пульт управления, 15 – рама, 16 – тумба, 17 – нижняя головка шатуна, 18 – редуктор, 19 – шатун, 20 – подвеска устьевого штока, 21 – канат, 22, 23 – площадки, 24 – лоток

Рисунок 1.1.2 - Станок-качалка с одноплечим балансиром

Конструкция станка – качалки с двуплечим балансиром была создана более 120 лет назад, причем до настоящего времени изменилось мало. Многочисленные второстепенные усовершенствования не изменили принципа ее работы. Многократные попытки изменения принципа работы этого станка – качалки успеха не имели. Так, радикальное предложение по замене кривошипно – шатунного механизма противовесом, перемещающимся вместе со своим приводом по направляющим на заднем плече балансира (а. с. СССР № 000)с переключением направления перемещения в конечных точках хода с помощью конечных выключателей, в связи с безусловно очевидными усложнением, удорожанием и снижением надежности конструкции, не получило промышленного применения. Не получило практического применения и предложение по изменению в процессе работы соотношения плеч балансира путем замены подшипниковой опоры специальной опорой качания с использованием принципа перекатывания пресс – папье (а. с. СССР № 000) и множество других предложений такого рода.

Тем не менее, попытки создания новых типов балансирных станков – качалок не прекращаются. Так, в Азербайджанском институте нефти и химии им. Азизбекова разработан станок – качалка с задним плечом балансира в виде дуги окружности и с гибкой связью шатуна с балансиром, огибающей заднее плечо рис.1.1.3 [11, 14]. Привод получил практическое применение на нефтяных промыслах Азербайджана и России, однако, в результате недостаточного совершенства конструкции отдельных узлов, широкого распространения не получил [15].

Известен и другой вариант такого станка – качалки, разработанный конструкторами Янганского завода нефтяного машиностроения (г. Янгань, Китай) – с односторонним относительно оси симметрии балансира консольным расположением на заднем плече головки в виде опорной дуги для огибания гибкой связью шатуна с балансиром. Привод нашел практическое применение и успешно эксплуатируется на нефтяных промыслах Китая [15, 16].

Попытка разработки малогабаритного по высоте станка – качалки привела к успешному созданию станка – качалки с поворотной головкой на переднем плече балансира и с кривошипно – шатунным механизмом традиционной конструкции. Станок – качалка такого типа разработан конструкторами Хенанского машиностроительного завода (г. Хенань, Китай) [15, 16] и получил практическое применение на промыслах Китая.

1 – опора качания; 2 – переднее плечо балансира; 3 – заднее плечо балансира; 4 – гибкая связь шатуна с балансиром; 5 – кривошипно-шатунный механизм; 6 – электродвигатель; 7 – канатная подвеска устьевого штока; 8 – опорная стойка балансира

Рисунок 1.1.3 - Станок-качалка с гибкой связью шатуна с балансиром

В целом балансирные станки – качалки с длиной хода до 3,5 м повсеместно признаны как приводы высокой надежности, не обеспечивающие, однако, резерва повышения производительности штанговой насосной установки при применении на высокодебитных скважинах. Это связано с ограничением частоты ходов повышением, по мере роста последней, частоты обрывов штанговых колонн. Общим недостатком таких станков – качалок является также повышенная энергоемкость работы.

Поэтому при необходимости отбора добываемой пластовой жидкости из скважин с большой производительностью и в экономичном режиме, в странах СНГ и за рубежом применяются длинноходовые насосные установки.

1.2 Конструкции длинноходовых приводов ШСНУ

Длинноходовые скважинные насосные установки (ДСНУ) для добычи нефти, разработанные и практически освоенные в настоящее время за рубежом, имеют ряд отличительных особенностей. В приводах всех установок используется грузовой тип уравновешивания, для практической реализации которого применяются дополнительные устройства: мачта или шурф. Поэтому все рассматриваемые приводы ДСНУ по конструктивному признаку можно разделить на две группы: высокопрофильные (мачтовые) и низкопрофильные. Колонна штанг перемещается с помощью каната или ленты, ремня или цепи, намотанных на барабан, реверсивно вращаемый с помощью редуктора электродвигателем или гидромотором.

Рисунок 1.2.1 - Длинноходовая скважинная установка с механическим приводом мачтового типа 3534 фирмы «Oil-well»

Уплотнение полированного штока в установках мачтового типа расположено так же, как у обычных ШСНУ, а в установках с шурфом - в верхней части колонны труб или непо­средственно над скважинным насосом [17, 18, 19, 20, 21, 22, 31, 53].

Одна из первых ДСНУ мачтового типа была изготовлена фирмой "Oil-well" под шифром 3534 [12, 35, 77, 106]. В установке наверху мачты "на высоте 15,7 м) размещаются два барабана, вращающихся на одном валу (рис.1.2.1). На одном барабане канат удерживает подвеску колонны штанг; а на втором - поддерживается контргруз при движении вверх и вниз вдоль мачты.

С помощью контргруза 3 (рис.1.2.2) осуществляется уравновешивание установки. Возвратно-поступательное движение полированного штока обеспечивается наматыванием каната 1 на барабан лебедки. Вал барабана приводится во вращение редуктором с приводом от электродвигателя, также смонтированного наверху мачты, что делает установку более компактной, но затрудняет ее монтаж и обслуживание. Желоба, удерживающие канат, имеют специальную конструкцию: в цилиндрической части барабанов радиус желоба постоянный, в то время как в кониче­ской части он уменьшается по спирали.

Рисунок 1.2.2 - Принцип работы привода длинноходовой скважинной установки фирмы «Oil-well»

На рисунке показаны три положения контргруза при ходе вверх (см. рис. 1.2.2). На рисунке «а» канат 1, соединенный с колонной штанг, находится в контакте с направляющей штанги 2; плечо рычага колонны штанг в этом положении равно нулю (см. рис. 1.2.2). Плечо рычага контргруза 3 равно радиусу барабана. В перемещении штанг вверх ускорение сообщается колонне только за счет разницы в длинах плеч рычагов. Как только значение этого ускорения достигнет максимального, включается привод, и колонна штанг начинает перемещаться еще более ускоренно. После достижения заданной максимальной скорости колонна штанг продолжает подниматься. При этом в соответствии с рисунком «б» плечи рычагов колонны штанг и контргруза будут одинаковыми (см. рис. 1.2.2). Примерно за 1,8 м до окончания хода вверх плечо рычага контргруза начинает уменьшаться, и таким образом, начинает возрастать относительный момент вращения со стороны колонны штанг. При этом двигатель привода отключается, и колонна штанг плавно, с замедлением, достигает конечной точки, как это показано на рисунке «в» (см. рис. 1.2.2). Такое решение позволяет обеспечить равномерную скорость подъема на расстоянии до 80 % длины хода вверх.

На рисунке 1.2.3 показано устройство для подвески каната на спиральном желобе барабана при различных его положениях (а - г). Конструкция барабана обеспечивает плавное изменение направления движения устьевого полированного штока, что позволяет избежать пиковых нагрузок на вал электродвигателя.

Рисунок 1.2.3 - Устройство подвески тягового каната

Установка фирмы "Oilwell" имеет следующую техническую характеристику: максимальная длина хода - 10,36 м; подача насоса – 100 - 200 м3/сут; напор -1500 м; число ходов в минуту - 5; потребляемая мощность - 56-112 кВт; масса установки - 14,7-16,4 т.

С 1969 г. фирмой изготовлено и успешно эксплуатируется 25 установок. По данным фирмы, применение установок обеспечивает: сокращение количества аварий со штангами из-за уменьшения числа знакопеременных циклов нагружения; снижение динамических нагрузок благодаря большой длине хода и постоянной скорости движения штанг; лучшие показатели при перекачке вязкой жидкости; более низкие пиковые крутящие моменты; увеличение срока службы скважинного насоса; высокий коэффициент использования мощности; полную автоматизацию системы.

Промысловые испытания показали, что в течение 19 месяцев эксплуатации не было ни одного обрыва штанг, в то же время как при эксплуатации в этой же скважине балансирной установки обрывы штанг происходили в среднем каждые 15-20 дней.

С 1976 г. на нефтяных промыслах в Западном Техасе и Калифорнии испытывались две ДСНУ мачтового типа с высотой мачты 30 м, разработанные фирмой "Axelson", [35]. Цилиндр скважинного насоса установки состоит из четырех соответственно обработанных хромированных труб длиной 7,2 м каждая, соединенных специальными муфтами. Техническая характеристика установки: максимальная длина хода - 24 м; подача насоса - 70 м3 /сут; число ходов в минуту - 3.

В результате испытаний установок получено сокращение количества обрывов штанг, увеличение срока службы скважинного насоса, удешевление процесса подземного ремонта, так как для проведения спуско-подъемных операций использовался собственный привод.

Типичными представителями ДСНУ мачтового типа являются установки фирмы «Маре», [35, 103], (рис.1.2.4). Основу привода составляет мачта высотой до 16 м в зависимости от типа и назначения установки. Связь между полирован­ным штоком, двигателем и контргрузом осуществляется канатом. В качестве привода в установке используется гидродвигатель с низкой частотой вращения. Работу гидродвигателя обеспечивают малогабаритный насос с регулируемой подачей и электродвигатель.

1 – электродвигатель, 2 – вал, 3 – насос, 4 – гидролинии, 5 – лебедка, 6 – гидромотор, 7 – мачта, 8 – контргруз, 9 – канат, 10 – трос, 11 – траверса, 12 – полированный шток, 13 – устьевой сальник, 14 – колонна штанг, 15 – трубы, 16 – цилиндр насоса, 17 – плунжер, 18 – фильтр