ПРИВОД СКВАЖИННОГО ШТАНГОВОГО НАСОСА Российский патент 1998 года по МПК F04B47/02 

Изобретение относится к технике добычи нефти, в частности к приводам скважинных штанговых насосов, и может быть использовано преимущественно в нефтедобывающих отраслях промышленности.

Известен кривошипно-шатунный механизм с регулируемой длиной кривошипа, содержащий корпус, установленный в нем кривошипный вал с коренными шейками и шатунной шейкой, с которой шарнирно связан шатун, и устройство регулировки длины кривошипа в виде двух симметрично расположенных по обе стороны шатунной шейки шарнирно-рычажных параллелограммов [1].

Недостатком известного кривошипно-шатунного механизма является его конструктивная сложность и пониженная надежность шарнирно-рычажных параллелограммов.

Наиболее близким к изобретению по своей технической сущности является привод скважинного штангового насоса, содержащий реверсивный электродвигатель, кинематически связанный с ним через ведомый элемент регулирующего устройства барабан, установленный на валу, на боковой поверхности которого с возможностью свивки и навивки размещен гибкий тяговый элемент, верхним концом связанный с барабаном, нижним - с колонной насосных штанг, и перекинутый через свободно вращающийся ролик, причем ведомый элемент установлен на валу барабана со стороны его торцов с возможностью взаимодействия наружной поверхности барабана и внутренней поверхности ведомого элемента регулирующего устройства, верхний конец гибкого тягового элемента связан с барабаном посредством установленной на оси подвески, которая снабжена осью с колесами по концам с возможностью перемещения по профильным вырезам, выполненным на внутренних торцах барабана, уравновешивающее устройство, выполненное в виде маховика, кинематически связанного с барабаном и реверсивным электродвигателем, на промежуточном валу установлен второй маховик, а кинематическая связь вращающихся элементов осуществлена посредством цепной и клиноременной передач [2].

Однако известной привод скважинного штангового насоса обладает следующими существенными недостатками: он конструктивно сложен, чрезмерно перегружен конструктивными элементами, кинематическая связь элементов включает клиноременную передачу, что снижает его надежность и долговечность, не исключает рассогласованности во вращении отдельных элементов из-за возможности фрикционного проскальзывания ремней по шкивам, а также из-за необходимости применения электрического устройства реверсирования электродвигателя.

Задачей изобретения является упрощение конструкции привода, повышение его надежности и долговечности, техническим результатом чего является повышение эффективности привода путем применения жесткой кинематической связи между собой его подвижных конструктивных элементов.

Основная сущность изобретения заключается в том, что кинематическая связь его конструктивных элементов, обеспечивающая требуемое реверсивное вращение барабана, наряду с конструкцией кривошипно-шатунного механизма с регулируемой длиной кривошипа, включает постоянную жесткую связь путем зубчатого зацепления между валом барабана и качающимся секторообразным элементом кривошипно-шатунного механизма, применение упрощенной конструкции устройства регулировки длины кривошипа, а также точное совмещение свисающего участка гибкого тягового элемента с осью скважинной трубы путем применения дополнительных желобчатых направляющих роликов, упрощение конструкции подвески верхнего конца гибкого тягового элемента к барабану, применение легкосъемного уплотняющего устройства на входе гибкого тягового элемента в скважинную трубу и закреплением маховика непосредственно на валу электродвигателя.

Поставленная задача решается следующим образом.

Привод скважинного штангового насоса содержит установленные на общей станине электродвигатель, вал которого через редуктор и кривошипно-шатунный механизм, включающий вал кривошипа, кривошипную шейку с регулируемой длиной кривошипа и шатун, кинематически связан с валом барабана, гибкий тяговый элемент, переброшенный через свободно вращающийся опорный валик, ось которого параллельна оси барабана, и связанный с колонной насосных штанг, подвеску гибкого тягового элемента на барабане, сальниковое устройство, устройство регулировки длины кривошипа и маховик, причем вторая головка шатуна связана с шейкой эксцентриковой полуоси качающегося зубчатого сектора, снабженного собственным центральным валом и зубчатым зацеплением, связанным с шестерней, закрепленной на свободном конце вала барабана, крепление подвески гибкого тягового элемента на барабане осуществлена, например, посредством оси, установленной в углублении пазовой выборки на наружной боковой поверхности барабана параллельно его оси и пропущенной через соответствующее ушко подвески, маховик установлен непосредственно на приводном валу электродвигателя, кроме того, ниже опорного валика перпендикулярно его оси установлены парные желобчатые направляющие ролики с возможностью их свободного вращения, между которыми пропущен свисающий участок гибкого тягового элемента, сальниковое устройство выполнено в виде продольно разъемного фланцевого патрубка, установленного на верхнем наружном конце скважинной трубы, сквозь который пропущен свисающий участок гибкого тягового элемента, заполненный уплотняющим материалом и снабженный боковой дренажной трубой, а устройство регулировки длины кривошипа содержит выполненный вдоль его радиуса паз с рифлеными боковыми стенками, в котором установлена с возможностью ее фиксации в требуемом месте паза колодка с ответными рифлеными боковыми стенками основания полуоси с закрепленной на ней кривошипной шейкой, связанной с основной головкой шатуна.

В предлагаемом техническом решении отличительными являются следующие признаки:
- в приводе применен известный электродвигатель, преимущественно асинхронный, с постоянным направлением вращения, что способствует улучшению технологичности привода, повышению его надежности и долговечности;
- кинематическая связь между всеми подвижными элементами постоянная, жесткая, что также повышает надежность и долговечность привода;
- указанная связь осуществлена применением известного шарнирного кривошипно-шатунного механизма с регулируемой длиной кривошипа, что улучшает технологичность привода и повышает его надежность и долговечность;
- в кривошипно-шатунном механизме применена зубчатая пара - качающийся сектор, установленный на собственном валу, связанный с шатуном посредством своей полуоси с эксцентриковой шейкой, и шестерня, установленная на конце вала барабана, при передаточном отношении между ними, обеспечивающим несколько оборотов барабана при качании сектора на некоторый угол, чем обеспечивается реверсивное вращение барабана и исключается необходимость применения реверсивного электродвигателя;
- подвеска верхнего конца гибкого тягового элемента на барабане осуществлена посредством оси, неподвижно закрепленной на барабан, что также способствует повышению надежности привода;
- осуществлено точное совмещение свисающего конца гибкого тягового элемента с продольной осью скважинной трубы путем применения дополнительных свободно вращающихся направляющих роликов, за счет чего получена возможность применения надежного сальникового устройства и осуществления надежной герметизации выходного конца скважинной трубы при продольных движениях пропущенного внутрь трубы гибкого тягового элемента;
- сальниковое устройство выполнено в виде продольно разъемного фланцевого патрубка, заполненного уплотняющим сальниковым материалом, устанавливаемого на конце скважинной трубы с возможностью его снятия и установки без выбирания из скважинной трубы гибкого тягового элемента.

На фиг. 1 изображена последовательность взаиморасположения и кинематической связи элементов привода; на фиг. 3 и 4 - примерная схема компоновки привода над скважинной трубой.

Привод скважинного штангового насоса содержит установленные на общей станине 1 электродвигатель 2, вал 3 которого через редуктор 4 и кривошипно-шатунный механизм 5, включающий вал 6 кривошипа, кривошипную шейку 7 с регулируемой длиной кривошипа и шатун 8, кинематически связан с валом 9 барабана 10, гибкий тяговый элемент 11, переброшенный через свободно вращающийся опорный валик 12, ось которого параллельна оси барабана, и связанный с колонной насосных штанг 13, подвеску 14 гибкого тягового элемента на барабане, сальниковое устройство 15, устройство регулировки длины кривошипа 16 и маховик 17, причем вторая головка 18 шатуна связана с шейкой эксцентриковой полуоси 19 качающегося зубчатого сектора 20, снабженного собственным центральным валом 21 и зубчатым зацеплением, связанным с шестерней 22, закрепленной на свободном конце вала барабана, крепление подвески 14 гибкого тягового элемента на барабане осуществлена, например, посредством оси 23, установленной в углублении пазовой выборки на наружной боковой поверхности барабана параллельно его оси и пропущенной через соответствующее ушко 24 подвески, маховик 17 установлен непосредственно на приводном валу электродвигателя, кроме того, ниже опорного валика 12 перпендикулярно его оси установлены парные желобчатые направляющие ролики 25 с возможностью их свободного вращения, между которыми пропущен свисающий участок гибкого тягового элемента, сальниковое устройство 15 выполнено в виде продольно разъемного фланцевого патрубка 26, установленного на верхнем наружном конце скважинной трубы 27, сквозь который пропущен свисающий участок гибкого тягового элемента, заполненный уплотняющим материалом и снабженный боковой дренажной трубой 28, а устройство регулировки длины кривошипа содержит выполненный вдоль его радиуса паз 29 с рифлеными боковыми стенками 30, в котором установлена с возможностью ее фиксации в требуемом месте паза колодка 31 с ответными рифлеными боковыми стенками 32 основания полуоси с закрепленной на ней кривошипной шейкой 7, связанной с основной головкой 33 шатуна.

Привод работает следующим образом.

При равномерном вращении вала 6 кривошипа его кривошипная шейка 7 движется по круговой орбите, при этом шатун 8, поворачивающий качающийся зубчатый сектор 20 за каждый оборот кривошипа на угол 90±5^o взад-вперед и через зубчатое зацепление с шестерней 22, вращает соответственно взад-вперед вал 9 совместно с барабаном 10 на 3 - 4 оборота. При вращении барабана в одну сторону происходит навивка на барабан гибкого тягового элемента 11, а в другую сторону - его свивка, и через насосные штанги 13 происходит синхронное поднятие-опускание плунжера насоса, причем по мере приближения плунжера к верхней или нижней точке происходит замедление движения плунжера, его остановка в указанных точках и ускорение при движении в обратном направлении до среднего местоположения плунжера при его движении, за счет чего достигается плавность изменения ускорения плунжера и исключение резких знакопеременных нагрузок на механизм привода насоса.

Требуемый режим работы может быть достигнут подбором соотношения радиусов качающегося сектора (R₁), шестерни вала барабана (R₂), боковой поверхности барабана (R₃) с одновременной правильностью выбора передаточного отношения с вала электродвигателя к валу кривошипа. Например, при R₁ = 870 мм, R₂ = 10 мм, R₃ = 1000 мм и указанном передаточном отношении, равным 200:1, произойдет при 750 об./мин вала электродвигателя 3,75 об./мин вала кривошипа соответственно и качаний зубчатого сектора 3,75 кач./мин и оборотов барабана взад-вперед 3,75 об./мин, а значит и движений плунжера вверх приближенно по 25 м • 3,75 в 1 мин.

Для изменения величины хода плунжера необходимо изменить угол качания зубчатого сектора путем изменения длины кривошипа переставлением колодки кривошипной шейки 7 в пазу 29 кривошипа: увеличением его длины - увеличивается угол качания зубчатого сектора, а значит увеличивается ход плунжера, т. е. увеличивается производительность насоса и наоборот. Маховиком 17, установленным непосредственно на валу электродвигателя 5, компенсируются переменные инерционные нагрузки на валу электродвигателя при переменах направления движения плунжера насоса.

Изобретение позволяет упростить конструкцию привода, способствует повышению его технологичности, надежности и эффективности эксплуатации скважинного штангового насоса.

Изобретение предназначено для использования в нефтедобывающих отраслях промышленности. Привод скважинного штангового насоса содержит установленные на общей станине 1 электродвигатель 2, вал 3 которого через редуктор 4 и кривошипно-шатунный механизм 5, включающий вал 6, кривошипа, кривошипную шейку 7 с регулируемой длиной кривошипа и шатун 8, кинематически связан с валом 9 барабана 10. Гибкий тяговый элемент 11 переброшен через свободно вращающейся опорный валик 12, ось которого параллельна оси барабана, и связан с колонной насосных штанг 13. Подвеска 14 гибкого тягового элемента укреплена на барабане. Кинематическая связь электродвигателя с барабаном осуществлена через кривошипно-шатунный механизм и зубчатую передачу. Маховик 17 установлен на валу электродвигателя. Головка 18 шатуна связана с шейкой эксцентриковой полуоси 19 качающегося зубчатого сектора 20, снабженного собственным центральным валом 21. Зубчатое зацепление связано с шестерней 22, закрепленной на свободном конце вала барабана. Крепление подвески 14 гибкого тягового элемента на барабане осуществлено, например, посредством оси 23, установленной в углублении пазовой выборки на наружной боковой поверхности барабана параллельно его оси и пропущенной через соответствующее ушко 24 подвески. 4 з.п. ф-лы. 4 ил.

1. Привод скважинного штангового насоса, содержащий установленные на станине электродвигатель, кинематически связанный с барабаном, на боковой поверхности которого размещен гибкий тяговый элемент, переброшенный через свободно вращающийся опорный валик и связанный с колонной насосных штанг, подвеску гибкого тягового элемента, укрепленного на барабане, сальниковое устройство и маховик, отличающийся тем, что кинематическая связь электродвигателя с барабаном осуществлена через кривошипно-шатунный механизм и зубчатую передачу, включающую шестерню, установленную на валу барабана, и взаимодействующий с ней зубчатый сектор, связанный с головкой шатуна, а маховик установлен непосредственно на валу электродвигателя. 2. Привод по п.1, отличающийся тем, что крепление подвески гибкого тягового элемента на барабане осуществлено, например, посредством оси, установленной в углублении пазовой выборки на наружной боковой поверхности барабана параллельно его оси и пропущенной через соответствующее ушко подвески. 3. Привод по пп.1 и 2, отличающийся тем, что ниже опорного валика перпендикулярно его оси установлены парные желобчатые направляющие ролики с возможностью их свободного вращения, между которыми пропущен свисающий участок гибкого тягового элемента. 4. Привод по пп.1 - 3, отличающийся тем, что сальниковое устройство выполнено в виде продольно разъемного фланцевого патрубка, установленного на верхнем наружном конце скважинной трубы, заполненной уплотняющим материалом и снабженной боковой дренажной трубой, сквозь который пропущен свисающий участок гибкого тягового элемента. 5. Привод по п. 1, отличающийся тем, что кривошипно-шатунный механизм выполнен с регулируемой длиной кривошипа так, что устройство регулировки длины кривошипа содержит выполненный вдоль его радиуса паз с рифлеными боковыми стенками, в котором установлена с возможностью ее фиксации в требуемом месте паза колодка с ответными рифлеными боковыми стенками основания полуоси с закрепленной на ней кривошипной шейкой, связанной с основной головкой шатуна.