Материал: Машины и оборудование нефтяных и газовых промыслов. Оборудование для эксплуатации и ремонта нефтяных и газовых скважин

Рис. 4.15. Блок-схема привода штанговой скважинной насосной установки 1 – ход штанг вверх; 2 – ход штанг вниз

Применение уравновешивающего устройства обусловлено следующим. При ходе штанг вверх нагрузка на привод ШСН в точке подвеса штанг обусловлена весом колонны штанг Рш и весом столба жидкости, находящейся над плунжером скважинного насоса Рж (остальные силы рассматривать не будем). При этом за время хода штанг вверх tв на длину хода штанг S совершается работа Ав= (Pш + Pж)S. Средняя мощность двигателя при этом определяется по формуле

Nср в = (Pш + Pж) S / tв.

При ходе штанг вниз в течение времени tн нагрузка на привод в точке подвеса штанг обусловлена только весом колонны штанг Рш, и так как они перемещаются вниз, то работа будет отрицательной

Ан = – PшS.

Средняя работа, которая совершается установкой за время двойного хода T = tв + tн, будет определяться как Aв + Aн = PжS, а, соответственно, средняя мощность, необходимая для привода установки,

Nср = Pж < S/T.

В первом приближении, выбирая двигатель без учета особенностей изменения нагрузки на привод, исходя из максимальной средней мощности, можно показать, что для неуравновешенной установки, т.е. без аккумулирующего устройства, двигатель должен выбираться исходя из величины Nн = (Pш + Pж)S / tв, а для уравновешенной – из

Nу = PжS / T.

Поскольку соотношение времени хода штанг вверх tв и вниз tн при одной и той же продолжительности двойного хода Т может быть различным, то, обозначив отношение tв/tн = α, можно записать

tв = αT / (1 + α).

Определим соотношение мощностей двигателей неуравновешенной и полностью уравновешенной установок, работающих в идентичных условиях.

При этом в результате преобразований соотношение весов колонн штанг и жидкости было заменено соотношением их масс

kN NН (1 qш / qж )(1 1/ α) ,

NУ

где qж, qш – соответственно масса 1 м столба жидкости над плунжером скважинного насоса и колонны штанг.

Таким образом, для неуравновешенной установки кратность увеличения мощности двигателя определяется, прежде всего, соотношением диаметров штанг и плунжера

62

скважинного насоса, а также соотношением продолжительностей хода штанг вверх и вниз.

Практика показывает, что величина 1+ qш/qж может изменяться в пределах от 2 до 6 с учетом того, что для большинства установок tв = tн, т.е. α = 1 и kN = 4–12. Таким образом, мощность двигателя, приводящего в действие неуравновешенную установку, должна быть в 4–12 раз больше мощности двигателя, приводящего в действие установку, работающую в том же режиме, но полностью уравновешенную.

Совершенство конструкции привода ШСН оценивается степенью влияния изменения нагрузки в точке подвеса штанг на характер нагружения приводного двигателя. Идеальной конструкцией установки можно считать такую, которая в любой момент времени двойного хода будет обеспечивать постоянную и минимально возможную нагрузку на двигатель.

Потенциальная энергия штанг может накапливаться за счет поднятия груза на определенную высоту, сжатия газа в пневматическом аккумуляторе, вращения маховика, скорость которого увеличивается и т.п. При использовании устройств, работающих с перечисленными аккумуляторами энергии, уравновешивающие устройства называют соответственно грузовыми (или гравитационными), пневматическими или инерционными.

Известно использование в качестве груза аккумулирующего устройства собственной колонны НКТ, одной или нескольких колонн штанг рядом расположенных скважин. В этих случаях установки называют уравновешиваемыми колонной НКТ и групповым уравновешиванием соответственно.

Основные показатели приводов ШСН зависят от конструкции и типа перечисленных узлов, т.е. уравновешивающего устройства, силового органа и привода, а также вида кинематической связи силового органа с уравновешивающим устройством, так как именно эта связь обеспечивает передачу наибольшей мощности во всем приводе установки.

С учетом основных блоков установки и их связей (см. рис. 4.15) приведена классификация приводов.

Классификация приводов ШСН по их параметрам условна, так как по мере развития техники для добычи нефти такие понятия, как длинноходовые или мощные приводы, меняют свое содержание. В настоящее время принято следующее деление приводов ШСН.

По максимальной нагрузке в точке подвеса штанг Рmах, т.е. по сумме максимальных статических, динамических и инерционных нагрузок в точке подвеса штанг, различаются на

По длине хода точки подвеса штанг. Известные конструкции приводов обеспечивают длину хода точки подвеса штанг от 0,3 до 12 м при плавной или ступенчатой регулировке от минимальной длины до максимальной, паспортной.

По максимальной длине хода Smax приводы делят на:

63

По частоте ходов точки подвеса штанг приводы могут быть:

Следует отметить, что частота однозначно не определяет «быстроходность» привода, которая характеризуется величиной средней скорости перемещения точки подвеса штанг, т.е. величиной nS.

По этой величине установки с большей определенностью могут быть разделены на тихоходные, средние или быстроходные.

По величине потребляемой мощности классификация приводов также условна. Она косвенно характеризует работу, выполняемую установкой в единицу времени. Принято приводы разделять на следующие группы:

Масса привода характеризует степень совершенства кинематической схемы, уровень конструирования и технологии изготовления деталей, сборки и т.п. Масса привода должна рассматриваться не по абсолютной величине, а в расчете на ее основные показатели – длину хода, максимальное усилие, потребляемую мощность [7].

4.3.2. Типы и схемы привода

Назначение привода штангового насоса – преобразовывать вращения вала электродвигателя в возвратно-поступательное движение точки подсоединения штанг. Привод может быть механическим, гидравлическим и пневматическим.

При механическом приводе преобразование вращения в возвратно-поступательное движение осуществляется четырехзвенником или кривошипом и гибкой связью. В первом случае привод балансирный, во втором – безбалансирный.

Схемы балансирного привода (рис. 4.16) имеют звенья k, l, r и р, образующие четырехзвенник. Плечо балансира k1 несет на себе головку балансира. Детали подвески штанг соединены с головкой балансира гибкой подвеской. Она закреплена в верхней части головки балансира и при качании балансира сходит в точке А с головки, выгнутой по дуге с радиусом k1.

Рис. 4.16. Схемы балансирных станков-качалок

64

Впервой схеме (см. рис. 4.16, а) редуктор расположен за стойкой балансира (по отношению к устью скважины). Соответственно, и двигатель удален от устья. Такое расположение более безопасно в пожарном отношении и удобно для обслуживания узлов станка-качалки. Вторая схема (см. рис. 4.16, б) применяется реже.

Недостаток балансирной схемы станка-качалки – то, что из-за четырехзвенника точка подвеса штанг совершает не простое гармоническое, а более сложное движение. Это вызывает рост ускорений и инерционных усилий. При использовании безбалансирного станка-качалки этот недостаток проявляется меньше.

Вбезбалансирном станке-качалке шатун и балансир заменяются гибкой связью. Испытывалась гибкая связь различных конструкций – цепи, гибкая металлическая лента, несколько клиновых ремней, стальной канат.

При гидравлическом приводе для преобразования вращательного движения вала электродвигателя в возвратно-поступательное точки подвеса штанг используются

насос и поршневой одноцилиндровый гидродвигатель, a при пневмоприводе – компрессор и поршневой двигатель [12].

Механические станки-качалки. Основные части конструкции балансирного станка-качалки показаны на рис. 4.17. На рисунке показан станок-качалка с комбинированным уравновешиванием (грузы размещены на кривошипе и балансире). Станок-качалка приводится в действие электродвигателем, который соединен клиноременной передачей с редуктором. Клиноременная передача и двухступенчатый редуктор уменьшают частоту вращения до нескольких оборотов в минуту (обычно не более 15). Четырехзвенник преобразует вращение в возвратно-поступательное движение.

В конструкции четырехзвенника плечо r (см. рис. 4.16) переменное. Длина хода точки подвески штанг зависит от длины плеча r, которая регулируется перестановкой пальца нижней головки шатуна в отверстия кривошипа, размещенные на разных радиусах. В этом случае осуществляется ступенчатая регулировка длины хода. Были конструкции, в которых нижняя головка шатуна перемещалась по кривошипу с помощью винта. В этом случае осуществлялась плавная регулировка длины хода точки подвески штанг.

К недостаткам регулировки длины хода винтом относится то, что конструктивно крепление головки шатуна к кривошипу недостаточно прочно. При соединении их с помощью пальца, размещаемого в отверстии, крепление более надежно.

Частота ходов регулируется в станке-качалке подбором частоты вращения вала двигателя или изменением диаметра малого шкива клиноременной передачи (заменой шкива).

Возвратно-поступательное движение больших масс в штанговой скважинной установке и вызванное этим возникновение значительных инерционных сил вызывают необходимость строительства мощных фундаментов. Необходимость строительства фундаментов задерживает освоение скважин, а в условиях, например, Западной Сибири (болота) чрезвычайно усложняет и удорожает монтаж установки.

Станок-качалка имеет рамную стойку-опору с лестницей, позволяющей подняться к балансиру и его опоре. Головка балансира и балансир выполнены сваркой из профилированного проката и листа.

Шатуны имеют трубчатый стержень и головки по его концам. Шатунов – два. Вверху головки шатунов подсоединены к траверсе, которая в середине имеет опору качания, корпус опоры, соединяющий траверсу с балансиром. Шатуны соединены внизу с двумя кривошипами, размещенными по обеим сторонам редуктора. Редуктор, как было сказано, двухступенчатый. Его шестерни имеют шевронное зацепление, сводящее до минимума осевые силы на валах шестерен. Опора балансира, соединение шатунов с траверсой и кривошипами, а также траверсы с балансиром имеют подшипники качения.

65

Рис. 4.17. Схема балансирного станка-качалки:

1 – канатная подвеска; 2 – головка балансира; 3 – опора балансира; 4 – балансир; 5 – балансирные противовесы; 6 – опора траверсы; 7 – верхняя головка шатуна; 8 – шатун; 9 – нижняя головка шатуна; 10 – редуктор; 11 – клиноременная передача; 12 – ручка управления тормозом; 13 – электродвигатель; 14 – кривошип; 15 – кривошипные противовесы; 16 – рама; 17 – стойка; 18 – траверса

Основные работы при обслуживании станка-качалки – это контроль за уравновешенностью станка-качалки, смазка опор, добавление или смена смазки в редукторе, контроль за прочностью соединения шатунов с кривошипами [13, 17].

К основным параметрам балансирного станка-качалки относятся следующие:

–наибольшая нагрузка Р, допускаемая в точке подвеса штанг (см. рис. 4.16, а, точка А);

–наибольшая длина SА хода точки подвески штанг;

– частота двойных ходов n точки подвески штанг;

– наибольший крутящий момент М на ведомом (кривошипном) валу редуктора. ГОСТ на станки-качалки предусматривает их выпуск с допускаемой нагрузкой на

головку балансира от 20 до 200 кН. Длина хода может изменяться от 0,3 до 6 м. Число ходов головки балансира ГОСТом не регламентируется. Но опыт эксплуатации установок показывает, что ее необходимо ограничить 15 ходами в минуту у станковкачалок малой мощности и 8–10 у мощных станков-качалок. Наибольшие крутящие моменты на ведомом валу редуктора составляют от 2,5 до 125 кН·м.

Приводная часть безбалансирного станка-качалки (рис. 4.18) (включая редуктор) та же, что и у балансирного станка-качалки. Конструкция кривошипа у безбалансирного станка-качалки несколько иная – V-образной формы, с углом 30°. Последнее улучшает уравновешивание станка, снижает вес грузов. Грузы размещаются на кривошипе конструктивно так же, как и на кривошипе балансирного станка-качалки. Над устьем скважины, на наклонной стойке, расположен ролик, через который проходит гибкая подвеска, подсоединенная к траверсе, которая, в свою очередь, соединена с шатунами. Нижняя головка шатуна соединена с кривошипом. Место подсоединения можно

66