Обоснование параметров и разработка конструкции энергосберегающего привода штангового скважинного насоса (стр. 5 )

К недостаткам существующих конструкций длинноходовых приводов следует отнести следующее.

Как показано выше, основными недостатками высокопрофильных мачтовых длинноходовых установок являются большие габариты, масса и сложность монтажа.

Недостатками низкопрофильных длинноходовых приводов являются:

- низкая надежность сопротивления обрыву гибкого тягового органа, подверженного действию переменных растягивающих и (в связи с намоткой на барабан) изгибных нагрузок с большим числом циклов;

- сложность создания надежного уплотнения на устье скважины гибкого тягового органа в виде плоской стальной или резинотросовой ленты овального сечения либо каната;

- необходимость устройства и поддержания в работоспособном состоянии глубокого шурфа, в котором перемещается противовес.

Кроме того, общей проблемой эксплуатации указанных длинноходовых приводов является недостаточная надежность системы реверсирования, обусловленная использованием в качестве рабочего органа привода вращающихся барабанов и необходимостью переключения направления их движения с помощью дополнительных устройств.

С учетом этого, одной из наиболее приоритетных задач является создание станка – качалки с рабочим органом, не требующим реверсирования приводных устройств [28, 31, 32, 33, 48, 49, 50, 51, 52].

Важнейшим шагом в решении проблемы замены вращающегося барабана таким рабочим органом является выбор увеличенной длины хода плунжера скважинного насоса и, соответственно, устьевого штока и канатной подвески станка – качалки в более умеренных, чем у длинноходовых приводов, пределах. С учетом того факта, что в настоящее время не менее 98% существующего парка приводов штанговых скважинных насосов составляют станки – качалки с длиной хода канатной подвески не более 3 м, начальный реализации преимуществ длинноходовых приводов вполне можно добиться созданием надежно работающего оборудования с длиной хода, увеличенной до 6 м.

В связи с осознанием этого обстоятельства инженерами нефтяной промышленности и машиностроителями, не оказалось случайным событием то, что именно в течение последних 15 лет вначале американский фирмой «ROTAFLEX», а затем институтом ТатНИПИНефть (г. Бугульма, Татарстан) и заводом Ижнефтемаш (г. Ижевск, Удмуртия) создано принципиально новое оборудование – станки – качалки с длиной хода до 6÷7,3 м с цепным приводом, работающим без реверсирования двигателя и передач [54, 55, 56]. В условиях современного состояния и уровня развития технологий и оборудования добычи нефти это было шагом в правильном направлении, необходимость в котором назрела многими годами раньше [41, 42, 43, 53, 54, 55, 56, 114].

Принципиальная и конструктивная схемы станка – качалки представлены, соответственно, на рисунках 1.2.9 - 1.2.10.

1 – устьевой шток; 2 – канатная подвеска; 3 – электродвигатель; 4 – ременная передача; 5 – редуктор в комплекте с рабочим и аварийным тормозами; 6 – ведущая звездочка цепи; 7 – цепь тяговая; 8,16 – направляющие противовеса; 9 – противовес; 10, 12 – направляющие каретки; 11 – каретка роликовая; 13, 17 – тяговые канаты; 14, 15 – канатные блоки; 18 – ведомая звездочка цепи; 19 – скалка каретки, скрепленная с концами цепи 7

Рисунок 1.2.9 - Станок-качалка цепной. Схема принципиальная

Тяговым органом станка - качалки является замкнутая тяговая цепь 7, находящаяся в зацеплении с нижней ведущей 6 и верхней ведомой 18 звездочками. В процессе непрерывного движения цепь перемещает поочередно вверх и вниз вдоль вертикальных направляющих 8 и 16 противовес 9 с роликами, соединенный с цепью с помощью штырей – валиков. При возвратно – поступательном движении вниз и вверх противовес 9 поднимает канатную подвеску 2 устьевого штока 1 и задает скорость ее опускания под действием силы тяжести связанных с ней масс с помощью тяговых канатов 13 и 17, огибающих канатные блоки 14 и 15. В процессе огибания звездочек звеньями цепи, соединенными со скалкой 19 каретки, каретка 11 перемещается вдоль направляющих10 и 12, расположенных в корпусе противовеса 9, переходя от ветви цепи, движущейся вверх, к ветви, движущейся вниз, и наоборот. Это позволяет изменять направление движения противовеса и, соответственно, канатной подвески устьевого штока без изменения направления движения цепи и направления вращения приводного двигателя и передач.

Настойчиво рекламируемыми преимуществами цепных станков – качалок являются:

- экономия удельных энергозатрат на откачку продукции скважин;

- снижение сил гидродинамического сопротивления движению подземной части насосной установки;

- снижение динамических нагрузок на скважинное оборудование и увеличение срока его службы;

- возможность эксплуатации малодебитных скважин в непрерывном режиме;

- снижение затрат на монтаж и обслуживание.

Вместе с тем, недостатком станков – качалок с цепным приводом является отсутствие возможности регулирования длины хода канатной подвески и, соответственно, гибкого регулирования таким способом производительности откачки пластовой жидкости в соответствии с ее притоком в скважину.

1 – рама; 2 – площадка передняя поворотная; 3 – упор противовеса технологический; 4 – подвеска устьевого штока или штанговращатель; 5 – ограждение; 6 – колонна; 7 – отвес; 8 – противовес; 9 – канат; 10 – узел канатных блоков; 11 – ограничитель схода каната; 12 – площадка обслуживания канатных блоков; 13 – звездочка ведомая; 14 – площадка обслуживания ведомой звездочки; 15 – винт натяжения цепи; 16 – муфта зубчатая; 17 – редуктор; 18 – кожух ременной передачи; 19 – площадка обслуживания редуктора; 20 – электродвигатель; 21 – укосина; 22 – каретка; 23 – цепь; 24 – канатная подвеска; 25 – звездочка ведущая; 26 – тормоз аварийный; 27 – тормоз рабочий; 28 – станция управления

Рисунок 1.2.10 - Станок-качалка цепной. Схема конструктивная

Также весьма существенным недостатком цепных станков – качалок является кратковременность замедлений и ускорений противовеса и канатной подвески при перемене направления движения, длительность которых ограничена временем огибания звездочек звеньями цепи, соединенными со скалкой каретки противовеса. Создание при этом больших инерционных нагрузок на тяговый орган противовесом большой массы, жестко связанным с цепью и подверженным действию значительных ускорений и замедлений, при ограниченной величине допускаемой рабочей нагрузки на цепь вынудило разработчиков этого оборудования прибегнуть к максимальному снижению скорости движения цепи и частоты ходов противовеса и канатной подвески.

Это исключило возможность достижения высокой производительности насосной установки. С учетом создания при перемене направления движения значительных замедлений и ускорений и образования соответствующих инерционных нагрузок на устьевом штоке, разработчики были вынуждены ограничить также величину усилия этого станка – качалки пределом, составляющим не более (20 - 33)% допускаемого максимального усилия в точке подвеса штанг [56, таблица 1]. Это ограничило диаметр подбираемого для работы в скважине штангового насоса и дополнительно снизило производительность насосной установки [53, 54, 55, 56].

В отличие от этого оборудования, в балансирных станках – качалках, в связи с закономерностями движения кривошипно – шатунного механизма, ускорения и замедления движения канатной подвески растянуты по времени на всю продолжительность хода, в результате чего образующиеся динамические нагрузки настолько невелики, что в расчетах механизмов станки – качалки их принято не учитывать [13, 14, 17], и тяговое усилие приравнивается к максимальному усилию в точке подвеса штанг.

Главный рекламный тезис разработчиков – об экономии при применении цепного станка – качалки удельных энергозатрат на откачку продукции скважин [55, 56], основан на некорректном приравнивании не тягового усилия, а значительно большего максимального усилия в точке подвеса штанг этого станка – тяговому усилию сравниваемых с ним балансирных станков – качалок и на получаемом при этом соотношении мощностей двигателей [49]. При более правильном сопоставлении характеристик станков – качалок, отличающемся учетом реального тягового усилия станка – качалки с цепным приводом, экономия удельных энергозатрат при применении последнего не подтверждается. Это легко устанавливается сопоставлением параметра станков – качалок различного типа, в который включены:

N – установленная мощность электродвигателя, кВт;

Q – тяговое усилие станка – качалки, кН;

Lmax – максимальная длина хода канатной подвески, м

nmax – максимальная частота ходов, 1/мин.

Так как произведение пропорционально максимальной производительности станка – качалки, то по соотношению параметров можно судить о соотношении удельных энергозатрат на откачку единицы продукции скважин станков – качалок различного типа.

Сопоставление значений этого параметра для станков – качалок цепных таблица 1.2.1 и балансирных таблица 1.2.2 позволяет установить, что экономии удельных энергозатрат применение цепного станка – качалки вместо балансирного не обеспечивает. Сопоставление технических характеристик также позволяет установить, что значительно меньшая мощность электродвигателей цепных станков – качалок обусловлена меньшей величиной тяговых усилий, или частоты ходов, либо того и другого вместе.

Вызывает большие сомнения и рекламный тезис разработчиков о снижении, по сравнению с другими станками – качалками, затрат на обслуживание станка – качалки с цепным приводом, отличающегося большой сложностью конструкции и включающего открытую цепную передачу, а также противовес и каретку, перемещающиеся по открытым направляющим на роликах. Эти открытые механизмы, отличающиеся большим числом точек смазки, а также в силу открытости внешним воздействиям, требуют более частого, тщательного и трудоемкого технического обслуживания, чем герметично закрытые подшипниковые узлы шарниров и опор кривошипно – шатунного механизма балансирных станков – качалок.