Статья 1. Обзор приводов штангового скважинного насоса
 Скачать 1.39 Mb.
|
|
79 УДК 622.276 ОБЗОР ПРИВОДОВ ШТАНГОВОГО СКВАЖИННОГО НАСОСА А. А. Кошкин Пермский государственный технический университет Дан обзор новых отечественных конструкций приводов штангового скважинного насоса: цепных и с дифференциальным кривошипным механизмом. Приведен сравнительный анализ их конструкции. Привод штангового скважинного насоса является одним из важ- нейших компонентов штанговой скважинной насосной установки, предназначенной для подъема пластовой жидкости из скважин. Привод обеспечивает перемещение плунжера насоса посредством колонны на- сосных штанг. Этот вид насосных установок является наиболее массо- вым в нефтедобывающей промышленности, и в настоящее время ими оснащено свыше половины всего фонда действующих скважин. Наземная часть насосной установки – станок-качалка – является достаточно консервативным комплексом оборудования, конструктив- ные элементы которого не менялись на протяжении десятилетий. Со- временный балансирный станок-качалка по-прежнему состоит из ра- мы, стойки, преобразующего механизма, редуктора, клиноременной передачи и приводного двигателя. Однако, несмотря на всю надежность устройства, балансирным приводам присущ ряд недостатков: – низкий срок службы редуктора; – разрушение элементов преобразующего механизма; – неудобство перестановки пальцев шатунов; – высокая трудоемкость перемещения грузов при уравновешива- нии; – наличие значительных неуравновешенных масс; – необходимость постройки дорогостоящих фундаментов. Все это создает предпосылки для создания принципиально новых конструкций приводов штангового скважинного насоса: ленточный привод, цепной привод, канатный привод, привод на основе линейного электродвигателя и др. В отечественной практике применение нашли 80 лишь цепные приводы, также стоит выделить станки-качалки с диффе- ренциальным преобразующим механизмом, которые пока что находят- ся в начале своего пути. Рис. 1. Привод цепной ПЦ80-6,1-1/4: 1 – рама; 2 – колонна; 3 – противовес; 4 – цепь; 5 – канатная подвес- ка; 6 – узел канатных блоков; 7 – звездочка ведущая; 8 – звездочка ведомая; 9 – подвеска устьевого штока или штанговращатель; 10 – винт натяжения цепи; 11 – редуктор; 12 – муфта зубчатая; 13 – площадка передняя поворотная; 14 – площадка обслуживания редуктора; 15 – площадка обслуживания ведомой звездочки; 16 – площадка обслуживания канатных блоков; 17 – отвес; 18 – огра- ничитель схода каната; 19 – станция управления; 20 – электродвига- тель; 21 – тормоз; 22 – упор противовеса технологический; 23 – ко- жух ременной передачи; 24 – ограждение; 25 – дверь купейная 81 В нашей стране цепной привод представлен моделью ПЦ-80-6,1 [1] (рис. 1) производства ОАО «Ижнефтемаш». Прототипом отечест- венного привода послужила разработка Rotaflex американской компа- нии Weatherford. Конструктивно привод содержит раму 1, размещен- ную на фундаменте, на раме установлен двигатель 20, редуктор 11, ре- менную передачу 23 – механизм, преобразующий вращательное движение в возвратно-поступательное, включающий ведущую 7 и ведомую 8 звездочки, охваченные непрерывным гибким звеном 4, связанным с кареткой, соединенной с противовесом 3, который связан через гибкое звено колонной штанг. Привод работает следующим образом (рис. 2, а): крутящий мо- мент от электродвигателя через ременную передачу, редуктор, ниж- нюю звездочку, установленную на валу редуктора, передается на тяго- вую цепь, которая преобразует вращательное движение звездочки в поступательное. Тяговая цепь соединена посредством скалки с карет- кой и уравновешивающим грузом. Рис. 2. Цепной привод: а – кинематическая схема цепного привода; б – график изменения скорости точки подвеса штанг цепного и балансирного привода за цикл при одинако- вой скорости откачки; 1 – станок-качалка; 2 – цепной привод 82 В момент, когда уравновешивающий груз в нижнем положении, а подвеска устьевого штока – в верхнем, каретка находится посередине полости. При вращении звездочек каретка перемещается вправо и од- новременно вверх вместе с уравновешивающим грузом, при этом под- веска устьевого штока перемещается вниз. При достижении кареткой горизонтальной оси нижней звездочки движение каретки вправо пре- кращается, и она движется только вверх. При достижении кареткой и уравновешивающим грузом горизон- тальной оси верхней звездочки каретка начинает перемещаться влево, продолжая при этом движение вверх. Это движение продолжается до тех пор, пока каретка не перейдет на противоположную сторону звездочки. При этом направление движения уравновешивающего груза и подвески устьевого штока меняется на противоположное. Таким об- разом достигается возвратно-поступательное движение подвески усть- евого штока. Главной особенностью преобразующего механизма по сравнению с шарнирным четырехзвенником балансирных станков-качалок [2] явля- ется постоянная скорость на преобладающей части хода (рис. 2, б). В результате этого максимальная скорость точки подвеса штанг в 1,6 раза ниже при одинаковом числе качаний и длине хода с балан- сирными приводами, что дает следующие преимущества: – увеличение надежности и долговечности всех составных частей насосной установки, снижение износа штанг и труб; – увеличение межремонтного периода насосной установки; – значительная экономия электроэнергии по сравнению с УЭЦН. На сегодняшний день цепные приводы нашли свое применение на промыслах компании ОАО «Татнефть». Другой новой отечественной разработкой является станок-качалка с дифференциальным преобразующим механизмом [3] (рис. 3). Привод разработан предприятием ООО «ОНТЕКС-Механика». Конструктивно дифференциальный станок-качалка содержит фундаментную плиту 14, тумбу 13, электродвигатель 10, связанный через клиноременную пере- дачу с редуктором 1, преобразующий дифференциальный кривошип- ный механизм, который содержит два взаимосвязанных через плане- тарную шестерню кривошипа – центральный 2 и ведущий 3. На веду- щем кривошипе 3 установлен натяжной шкив 4, который охватывается гибким элементом 8 и через направляющие шкивы 7, установленные на стойке 5, связан с подвеской устьевого штока 9. Для уравновешива- ния станка-качалки на ведущем кривошипе установлены грузы 12. 83 Рис. 3. Конструктивная схема дифференциального станка качалки: 1 – редуктор; 2 – центральный кривошип; 3 – ведущий кривошип; 4 – натяжной шкив; 5 –стойка; 6 – перекладина; 7 – направляющие шкивы; 8 – гибкий элемент; 9 – подвеска устьевого штока; 10 – электродвигатель и клиноременная передача; 11 – шкив тормозного устройства; 12 – уравно- вешивающие грузы; 13 – тумба; 14 – фундаментная плита Отличительной особенностью дифференциального преобразую- щего механизма является наличие кинематически взаимосвязанных кривошипов, которые расположены с одной стороны редуктора и вра- щаются в разные стороны с одинаковой частотой. При сложении их движений натяжной шкив, установленный на ведущем кривошипе, совершает вертикальное прямолинейное возврат- но-поступательное движение, которое посредством гибкого элемента через установленную на стойке станка-качалки равноплечую перекла- дину с направляющими шкивами передается подвеске устьевого што- ка. При этом на стойку действуют только вертикально направленные, сжимающие ее усилия. Поперечных знакопеременных сил, возникающих в балансирных станках-качалках от наклона шатунов и балансира и составляющих в зависимости от длины хода от 0,3 до 0,5 от тягового усилия, здесь 84 нет. Кинематически взаимосвязанные кривошипы вращаются встречно, поэтому и динамические усилия сведены к минимуму. В целом металлоконструкция станка-качалки с таким преобра- зующим механизмом нагружена значительно меньшими силами, что обеспечивает им большую надежность и безотказность. Важно также и то, что отсутствуют такие слабые звенья, как ша- туны, траверса, балансир и головка балансира, на долю которых при- ходится значительная часть отказов станков-качалок с балансирным преобразующим механизмом. Они заменены более надежными – на- тяжным шкивом на ведущем кривошипе, сравнительно короткой рав- ноплечей перекладиной с направляющими шкивами и стойкой, нагру- женной только вертикальными усилиями. Дифференциальный кривошипный механизм (рис. 4, а) работает следующим образом. Вращательное движение выходного вала 4 редук- тора 1 передается корпусу центрального кривошипа 2, при вращении которого сателлит 8 через «паразитную» шестерню 7 обкатывается во- круг неподвижного центрального колеса 5 и вращается в противопо- ложном по отношению к центральному кривошипу 2 направлении вме- сте с ведущим кривошипом 3,установленным на выходном конце са- теллита 8. Поскольку число зубьев сателлита в 2раза меньше числа зубьев неподвижного центрального колеса 5 и с учетом того, что са- теллит совершает планетарное движение за один оборот центрального кривошипа 2,сателлит, а вместе с ним и ведущий кривошип 3 также совершают один оборот в противоположном направлении. При равен- стве радиусов кривошипов конец радиуса ведущего кривошипа 3 (точ- ка крепления натяжного шкива) находится в вертикальной плоскости, проходящей через ось выходного вала редуктора 1,и тогда, при встречном вращении кривошипов с одинаковой частотой, при сложе- нии их движений, конец радиуса ведущего кривошипа 3 перемещается возвратно-поступательно по прямой вертикальной линии. При этом за один оборот центрального кривошипа (рис. 4, б) дли- на хода равна удвоенной сумме радиусов центрального и ведущего кривошипов, поскольку они складываются на полную длину один раз, когда находятся ниже оси выходного вала редуктора и направлены вниз, а другой раз, когда находятся выше оси выходного вала редукто- ра и направлены вверх. Поэтому при одинаковой длине хода радиусы кривошипов у дифференциального кривошипного преобразующего механизма в 2 раза меньше, чем у балансирного преобразующего ме- ханизма. Соответственно, в 2 раза увеличивается эффективность 85 воздействия уравновешивающего груза на ведущем кривошипе на тя- говое усилие на подвеске устьевого штока. При этом на выходном валу центрального кривошипа, который является опорой для ведущего кри- вошипа, возникает реакция, которая уравновешивается крутящим мо- ментом от действия массы центрального кривошипа, а при ее недоста- точности – установкой дополнительного груза на ведущем кривошипе. Если же неуравновешенная масса центрального кривошипа больше, чем требуется для уравновешивания реакции, возникает крутящий мо- мент, который через планетарную передачу центрального кривошипа передается ведущему кривошипу и увеличивает тяговое усилие на под- веске устьевого штока. То же происходит при передаче крутящего мо- мента центральному кривошипу от редуктора. Таким образом, тяговое усилие на натяжном шкиве ведущего кривошипа, а следовательно, и на подвеске устьевого штока, складывается из суммы усилий от воздейст- вия крутящего момента от массы ведущего кривошипа и размещенного на нем уравновешивающего груза, крутящего момента от массы цен- трального кривошипа и крутящего момента, передаваемого редуктором. Рис. 4. Дифференциальный механизм привода станка-качалки: а – конструктивная схема; б – кинематическая схема; 1 – цилиндрический редуктор; 2 – центральный кривошип; 3 – ведущий кривошип; 4 – выходной вал редуктора; 5 – центральное колесо планетарной передачи; 6 – ось; 7 – паразитная шестерня; 8 – сателлит; 9 – натяжной шкив; 10 – уравновешивающие грузы 86 В настоящее время преимущественное применение находят балан- сирные станки-качалки, дифференциальные же находятся в начале сво- его пути. Их создание и применение обусловлено необходимостью по- вышения надежности и конкурентоспособности, а также потребностью в станках-качалках с большей длиной хода и для больших тяговых усилий [4]. В заключении заметим, что, рассуждая о перспективах развития и совершенствования приводов штанговых скважинных насосов, стоит иметь в виду, что вновь вводимые месторождения не сравнимы с ранее освоенными. Они располагаются в основном в труднодоступных, забо- лоченных районах с вечномерзлыми грунтами. Бурение скважин на таких территориях ведется, как правило, с кустов наклонно- направленными скважинами, эксплуатация которых штанговыми насо- сами затруднительна. А к перспективным относятся районы шельфа и морские месторождения, на которых применение станков-качалок нереально. Таким образом, основное направление развития приводов заключается в увеличении надежности, облегчении монтажа и обслу- живания, снижении металлоемкости и удельных энергозатрат. Список литературы 1. Паспорт ЦП81.00.00.00 ПС «Привод цепной штангового сква- жинного насоса ПЦ 80-6,1». 2. Валовский В. М. «Прирученный» цепной привод / В. М. Валовский // Нефтегазовая вертикаль. – 2006. – № 12. – С. 90–91. 3. Колошко В. П. Станки-качалки с дифференциальным криво- шипным преобразующим механизмом / В.П. Колошко // Оборудование и технологии для нефтегазового комплекса. – 2006. – № 5. – С. 21–23. 4. Патент 2265138. Российская Федерация, МПК 7 F 04 B 47/02. Дифференциальный станок-качалка / Колошко В. П., Колошко В. В. (РФ) – № 2003136914/06; заявл. 22.12.03; опубл. 27.11.04. – Бюл. 33. – 7 с. |