изменить для регулировки длины хода точки подвеса штанг так же, как и у балансирного станка-качалки.
Рис. 4.18. Безбалансирный станок-качалка
Безбалансирные станки-качалки выпускаются с нагрузкой на головку балансира в 30 и 60 кН. Длина хода от 0,45 до 5 м. Крутящие моменты на выходном валу редуктора достигают 80 кН·м.
Безбалансирные станки-качалки имеют меньшие металлоемкость и габариты по сравнению с балансирными. У них несколько лучшая характеристика движения точки подвеса штанг, при которой отклонения от гармонического колебания меньше, а следовательно, меньше ускорение точки подвеса штанг и инерционные нагрузки в установке. Однако недостаточная надежность гибкой связи сдерживает внедрение этих установок.
Безбалансирный станок-качалка (см. рис. 4.18) состоит из рамы 1, стойки 2, канатных шкивов 3, кривошипов с противовесом 4, траверсы с шатунами 5, редуктора 6, тормоза 7, клиноременной передачи с электродвигателем 8, подвески устьевого штока 9. Устьевое оборудование то же, что и в балансирных станках-качалках.
Основные узлы приводов – редуктор, тормоз, канатная подвеска, узел крепления электродвигателя, противовесы – унифицированы с балансирными станками-качалками.
Уравновешивание безбалансирных станков-качалок роторное, осуществляется перемещением грузов, установленных на кривошипах с одной стороны [15].
Для достижения большой длины хода штанг (до 10 м) применяются приводы с гибкой связью колонны штанг с уравновешивающим грузом. Такая установка (рис. 4.19) состоит из стальной фермы 6, установленной у устья 1 скважины. На верхней площадке фермы помещены приводной двигатель с реверсивным редуктором 4, на выходном валу которого установлены барабаны. Управление двигателем осуществляется станцией 7. Устьевой шток 2 расположен у наружной грани фермы и соединен канатной подвеской 3 с одним из барабанов, на второй барабан наматывается канат, к которому подвешен уравновешивающий груз 5, перемещающийся внутри фермы. В ряде установок
67
применяются барабаны, имеющие на крайних ручьях переменный радиус, что позволяет обеспечить изменение скорости точки подвеса штанг по желаемому закону в период их реверсирования.
Рис. 4.19. Безбалансирный длинноходовый станок-качалка
Реверсивный редуктор при достижении устьевым штоком крайних положений изменяет направление вращения барабанов. При подземном ремонте скважины вся установка откатывается по рельсам 8 в сторону и освобождает место для размещения агрегата подземного ремонта у фундамента 9 установки.
Типы механических приводов. Известны индивидуальные механические приводы и групповые приводы для эксплуатации нескольких скважин.
Приводы первого типа включают двигатель, трансмиссию – преобразующий механизм и обеспечивают движение только одной колонны насосных штанг. В настоящее время почти все приводы ШСН относятся к этому типу.
Приводы второго типа служат для эксплуатации группы (от 2 до 40) скважин, расположенных близко друг от друга и имеющих сопоставимые параметры. Как правило, групповой привод использовался для эксплуатации малодебитных скважин и в настоящее время не применяется.
В индивидуальном механическом приводе трансмиссия уменьшает частоту вращения вала двигателя до числа оборотов, соответствующего числу двойных ходов точки подвеса штанг.
68
Механизм для преобразования вращательного движения выходного звена трансмиссии в возвратно-поступательное движение точки подвеса колонны штанг обеспечивает кинематическую связь уравновешивающего устройства с точкой подвеса штанг [14, 16].
Трансмиссия, используемая в индивидуальном приводе, обычно состоит из ременной передачи от двигателя к входному валу редуктора и редуктора. Редуктор выполняется двухили трехступенчатым с зубчатыми зацеплениями различных типов.
Наибольшее влияние на конструкцию установки оказывают тип и кинематическая схема преобразующего механизма. По видам преобразующих механизмов механические приводы делятся на две группы: балансирные и безбалансирные. В первых возвратнопоступательное движение точки подвеса штанг достигается использованием качающегося рычага – балансира, который соединяется с выходным валом трансмиссии посредством кривошипно-шатунного механизма.
Всвою очередь, кривошипно-шатунный механизм может быть со звеньями, имеющими постоянную или переменную длину, изменяющуюся в пределах времени одного цикла работы установки.
Вбезбалансирных приводах возвратно-поступательное движение точки подвеса штанг обеспечивается за счет использования механизмов с гибкими элементами (канаты или цепи).
Рассмотрим основные типы механических индивидуальных приводов с точки зрения их кинематических схем.
Тип кинематической схемы определяется конструкцией балансира, исполняемого в виде двуплечного или одноплечного рычага.
Балансирные станки-качалки. Станки-качалки с двуплечным балансиром выполняются по кинематической схеме, приведенной на рис. 4.20. При этом опора балансира (точка С) находится между точками подвеса штанг D и сочленения балансира
сшатуном В. Усилия к балансиру могут передаваться несколькими способами. Наиболее часто для этого используются два шатуна, соединенные с балансиром траверсой.
Рис. 4.20. Кинематическая схема станка-качалки с двуплечным балансиром
Помимо гибкой связи, известны соединения с помощью шарнира. В этом случае колонна штанг подвешивается непосредственно к концу балансира. Подобная конструкция в настоящее время не применяется, так как работа установки сопровождается отклонением оси устьевого штока от вертикали в течение каждого двойного хода установки.
Механические балансирные станки-качалки снабжаются гравитационным (т.е. грузовым) или пневматическим уравновешивающим устройством. Существуют
69
следующие способы размещения уравновешивающего груза: на балансире, на кривошипе, на балансире с кривошипом, на шатуне. Соответственно приводы называют: станки-качалки с балансирным, роторным, комбинированным и шатунным уравновешиванием. Действующими в настоящее время стандартами предусмотрено изготовление станков-качалок первых трех типов.
Помимо перечисленных известны уравновешивания с помощью «ложной качалки» и с использованием противовеса, вращающегося с частотой вдвое большей, чем частота вращения кривошипа. Кинематические схемы приводов с перечисленными способами размещения грузов приведены на рис. 4.21.
Рис. 4.21. Способы механического уравновешивания двуплечных балансирных станковкачалок: а – балансирное уравновешивание; б – кривошипное (роторное)
уравновешивание; в – комбинированное уравновешивание; г – уравновешивание
спомощью ложной качалки; д – уравновешивание противовесом, вращающимся
сдвойной частотой; е – шатунное уравновешивание
Станки-качалки с одноплечным балансиром выполняются по кинематической схеме, приведенной на рис. 4.22, для которой характерно расположение опоры С на закрепленном конце балансира, а точки соединения шатуна с балансиром В – между соединением штанг с балансиром и опорой.
Рис. 4.22. Кинематическая схема станка-качалки с одноплечным балансиром
70
Рис. 4.23. Способы пневматического уравновешивания балансирных станков-качалок: a – с подвижным поршнем без гидравлического затвора; б – с подвижным цилиндром без гидравлического затвора; в – с подвижным поршнем с гидравлическим затвором;
г– с подвижным цилиндром с гидравлическим затвором
Виспользуемых в настоящее время конструкциях установок сочленение балансира
сустьевым штоком колонны штанг обеспечивается канатной подвеской, взаимодействующей с дуговой головкой.
Станки-качалки с одноплечным балансиром уравновешиваются грузовым или пневматическим аккумулятором. В первом случае груз может монтироваться на балансире, кривошипе или на балансире и кривошипе одновременно. Уравновешивание соответственно называется: балансирное, роторное или комбинированное (см. рис. 4.21, а–в). Наибольшее применение получила схема с роторным уравновешиванием. Она отличается компактностью, что позволяет сконструировать менее металлоемкий привод. При пневматическом уравновешивании станок-качалка снабжается пневмоцилиндром с ресивером и вспомогательным оборудованием. Уравновешивание достигается за счет накапливания потенциальной энергии пневматическим аккумулятором. Пневматическое уравновешивающее устройство хорошо вписывается в кинематическую схему станка-качалки (рис. 4.23) и имеет лучшие весовые и эргономические показатели по сравнению с грузовым.
Наиболее совершенные конструкции пневматических уравновешивающих устройств выполняются в виде моноблока, объединяющего в себе пневмоцилиндр с гидравлическим затвором, ресивер, компрессор, масляный компенсационный насос, емкость с запасом масла и контрольно-измерительную аппаратуру [3, 7].
4.3.3. Гидро- и пневмопривод штанговых насосов
Гидро- и пневмопривод установок штанговых насосов в принципе имеет одну схему основного узла, приводящего штанги в движение. Штанги соединяются штоком с поршнем, расположенным в цилиндре. Шток проходит через сальник. Подавая жидкость или воздух высокого давления под поршень, осуществляют движение штанг
71
вверх. Вниз штанги движутся под действием сил тяжести так же, как и при механическом приводе.
Гидропривод получил более широкое применение.
На рис. 4.24, а показаны схемы установки фирмы «Викерс» и на рис. 4.24, б установки, применяемой в РФ.
Рис. 4.24. Схемы гидравлических приводов ШСНУ
Приводной цилиндр 3 с поршнем крепится на фланце скважины. К поршню подсоединен полированный шток 2, проходящий через сальник 1. На штоке подвешена колонна штанг. В установке имеется система гидропривода А, подающего жидкость попеременно в рабочую полость цилиндра и в уравновешивающий аккумулятор 5. Система гидропривода имеет обычные узлы. Уравновешивающий аккумулятор в гидроприводе позволяет создать равномерную загрузку приводного электродвигателя и уменьшить потребляемую мощность. Насос системы гидропривода подает рабочую жидкость под поршень, поднимая колонну штанг. Рабочая жидкость при этом поступает на прием насоса под напором из аккумулятора, где поддерживается постоянное давление. Давление поддерживается сжатым газом, находящимся над уровнем жидкости в аккумуляторе. В конце хода вверх элементы управления 4 установкой переключают систему гидропривода на подачу рабочей жидкости из рабочего цилиндра в аккумулятор. При этом опускающиеся штанги тянут поршень 3 вниз, и он создает давление жидкости в цилиндре, подавая ее на прием силового насоса системы гидропривода. Таким образом, насос работает с подпором и при подаче рабочей жидкости в аккумулятор. Давление рабочей жидкости в аккумуляторе подбирается в таких пределах, чтобы двигатель работал с постоянной мощностью при ходе штанг вверх и вниз.
Рис. 4.25. Графики изменения скоростей
72
Для обеспечения стабильности работы системы уравновешивания в схеме установки фирмы «Викерс» имеется компрессор 7 для поддержания постоянного давления в аккумуляторе и пополнения утечек газа. Утечки рабочей жидкости пополняются вспомогательным насосом 6.
Схема, принятая РФ для уравновешивания, использует вес НКТ. Для этого на скважине имеется уравновешивающий цилиндр 8, в котором на поршне 9 подвешены НКТ. Система гидропривода подает жидкость попеременно в рабочий и уравновешивающий цилиндры, а вес штанг или НКТ создает подпор на приеме насоса системы гидропривода. Конструктивно эта установка выполнена так, что все оборудование, включая систему управления и бак с рабочей жидкостью, крепится на фланце обсадной колонны скважины.
Установки с гидроприводом обеспечивают большие длины хода плунжера скважинного насоса, управление набором скорости штангами, легкое регулирование режима работы штанговой установки (изменение числа ходов). При гидроприводе металлоемкость установки резко сокращается.
На рис. 4.25 показаны графики изменения скорости при балансирном 1 и гидравлическом 2 приводах. Как видно из графика, нарастание скорости движения штанг в начале хода (углы касательных к кривым 1 и 2) у балансирных станков-качалок значительно больше, чем у гидропривода. Соответственно, выше и инерционные нагрузки в системе при балансирных станках-качалках. Большие длины хода позволяют уменьшить число циклов нагрузки на штанги, что является важным фактором увеличения их срока службы. Улучшаются наполнение скважинного насоса и некоторые другие показатели работы штанговой установки.
При больших длинах хода штанг длина движения НКТ у гидропривода ШСНУ (см. рис. 4.24, б) невелика, примерно 0,5 м, так как диаметр уравновешивающего поршня значительно больше диаметра поршня рабочего цилиндра. Движение НКТ при длительной эксплуатации таких установок может привести к истиранию муфт НКТ и порче обсадных колонн. Применение гидропривода требует значительно большего внимания при обслуживании установок, чем балансирные станки-качалки. Особого внимания требуют уплотнения движущихся частей и насос гидропривода [11, 15].
5. БЕСШТАНГОВЫЕ НАСОСНЫЕ УСТАНОВКИ
5.1. Классификация бесштанговых насосов
Фонтанный и компрессорный способы добычи нефти эффективны при достаточной пластовой энергии и значительном газовом факторе. По мере разработки месторождения пластовая энергия истощается, увеличивается обводненность добываемой жидкости, уменьшается относительное содержание газа в отбираемой смеси. Уровень отбираемой жидкости в скважине снижается. Фонтанный способ добычи нефти становится невозможным, а компрессорный – неэффективным, и тогда они сменяются насосным способом добычи нефти.
Для добычи нефти используются штанговые и бесштанговые насосы. Устройство штанговых насосов подробно описано в главе 4.
Бесштанговые насосы имеют скважинный насос и скважинный привод насоса, непосредственно соединенные между собой. Энергия к приводу насоса подводится по кабелю (при электроприводе) или по трубопроводу (при гидроили пневмоприводе). Благодаря отсутствию длинной механической связи между приводом и насосом бесштанговые насосы имеют значительно большую мощность, чем штанговые. Это дает возможность поддерживать большие отборы жидкости некоторыми бесштанговыми насосами. К таким насосам прежде всего относятся скважинные центробежные насосы с
73