ШТАНГОВРАЩАТЕЛЬ КОЛОННЫ НАСОСНЫХ ШТАНГ ГЛУБИННО-НАСОСНОЙ УСТАНОВКИ Российский патент 2000 года по МПК E21B19/16 E21B17/00 

Изобретение относится к области глубинно-насосной добычи нефти из скважин, в частности к приспособлению для поворота на некоторый угол колонны насосных штанг при ходе плунжера глубинного насоса глубинно-насосной установки исходя из технологических требований эксплуатации скважины, например, с целью обеспечения срезающего действия скребков, укрепленных на колонне насосных штанг при механическом способе очистки насосно-компрессорных труб от асфальтосмолопарафиновых отложений (АСПО) в скважине, исключения отворачивания насосных штанг во время работы глубинно-насосной установки, исключения во время ее работы возможного одностороннего износа плунжера и цилиндра глубинного насоса, а также возможного износа насосных штанг в процессе работы глубинно-насосной установки, особенно при добыче нефти из искривленных и из наклонно направленных скважин.

Известен штанговращатель, включающий закрепленный на канатной подвеске полированный шток, жестко связанный с колонной насосных штанг, корпус с отверстием для полированного штока, механизм поворота полированного штока, включающий металлический поворотный диск, жестко связанный с полированным штоком, взаимодействующий с подвижной и неподвижной тормозной собачками, приваренными к корпусу, преобразователь, выполненный в виде рычага, жестко прикрепленного к оси подвижной собачки, с грузом и со стальным канатиком-ограничителем поворота рычага на свободном его конце, прикрепленным к балансиру станка-качалки (см. В.М.Муравьев. Эксплуатация нефтяных скважин. - М.: Гостоптехиздат,1956, с. 212-213).

Во время работы станка-качалки движение известного штанговращателя осуществляется вместе с колонной насосных штанг в возвратно-поступательном направлении: вниз - вверх - вниз - вверх и т.д.

При движении штанговращателя вместе с колонной насосных штанг вниз натянутый стальной канатик в конце хода вниз натягивается и не позволяет концу рычага двигаться вместе со штанговращателем, в результате чего рычаг поворачивается вокруг оси, подвижная собачка передвигается вправо, входя в зацепление с соответствующим зубцом поворотного диска, при этом поворота колонны насосных штанг не происходит. При ходе колонны насосных штанг вверх рычаг под действием груза опускается вниз, поворачивая при этом поворотный диск по часовой стрелке, а вместе с ним и полированный шток. Как следствие - происходит поворот колонны насосных штанг.

Однако известный штанговращатель, поворачивая колонну насосных штанг, не обеспечивает достижение требуемых технологических режимов работы глубинно-насосной установки, таких как качественная механическая очистка НКТ от АСПО, гарантированное предотвращение возможного отворачивания насосных штанг в процессе добычи нефти, исключение возможного одностороннего износа плунжера и цилиндра глубинного насоса, насосных штанг, особенно при работе в искривленных скважинах. Это объясняется, во-первых, тем, что вращение колонны насосных штанг штанговращателем возможно при ходе колонны только в одном направлении (вверх), во-вторых, только при строго фиксированном положении полированного штока относительно устья скважины, в-третьих, угол поворота колонны насосных штанг при рабочем ходе остается постоянным, т.к. определяется длиной канатика-ограничителя поворота рычага и местом закрепления канатика на балансире станка-качалки. Кроме того, потенциальной энергии груза, установленного на рычаге, оказывается недостаточно для поворота колонны насосных штанг в искривленных, в наклонно направленных скважинах при наличии в них АСПО, перекрывающих проходное отверстие между внутренней поверхностью НКТ и наружной поверхностью штанг на 50% и более.

Наиболее близким к заявляемому по совокупности сходных признаков является штанговращатель, включающий закрепленный на канатной подвеске полированный шток, жестко связанный с колонной насосных штанг, корпус с отверстием для полированного штока, механизм поворота полированного штока, включающий поворотный диск, связанный с полированным штоком, с нарезанными на его верхней поверхности зубцами, взаимодействующий с подвижной собачкой, приваренной к корпусу, преобразователь, выполненный в виде рычага, жестко прикрепленного к оси подвижной собачки, и неподвижный упор, размещенный на устье скважины, ограничивающий поворот рычага (см. В.М.Муравьев. Эксплуатация нефтяных скважин. - М.: Гостоптехиздат, 1956, с. 212-213). Во время работы станка-качалки движение штанговращателя осуществляется вместе с колонной насосных штанг в возвратно-поступательном направлении: вниз - вверх - вниз - вверх и т.д.

При ходе колонны насосных штанг вверх рабочее плечо рычага опускается, подвижная собачка входит в зацепление со следующим зубцом на поворотном диске, и поворота колонны насосных штанг не происходит. При последующем ходе колонны насосных штанг вниз рабочее плечо рычага упирается в неподвижный упор, подвижная собачка производит поворот диска, а с ним и полированного штока и связанной с ним колонны насосных штанг. Далее при работе станка-качалки описанный процесс поворота колонны повторяется.

Однако и этот известный штанговращатель имеет ограниченные технические возможности для обеспечения технологических требований эксплуатации скважины, поскольку и он в процессе работы вращает колонну насосных штанг при ее поступательном перемещении только в одном направлении (вниз). При этом угол поворота диска (а вместе с ним колонны насосных штанг) за один рабочий ход полированного штока остается также постоянным, т.к. определяется длиной рычага и местом установки неподвижного упора на устье скважины. Как следствие - не обеспечиваются при работе штанговращателя технологически необходимые режимы работы глубинно-насосной установки, такие как: качественная механическая очистка насосно-компрессорных труб от АСПО, гарантированное предотвращение возможного в процессе добычи нефти отворачивания насосных штанг, исключение возможного одностороннего износа плунжера и цилиндра глубинного насоса, исключение возможного одностороннего износа насосных штанг, особенно при глубинно-насосной добыче нефти из искривленных и из наклонно направленных скважин.

Целью изобретения является расширение технических возможностей штанговращателя за счет обеспечения в процессе работы глубинно-насосной установки вращения колонны насосных штанг как при ходе колонны насосных штанг вниз, так и при ходе ее вверх, или при ходе колонны только вниз или при ходе ее только вверх исходя из технологических требований эксплуатации скважины.

Дополнительной целью является обеспечение в процессе работы глубинно-насосной установки задаваемых технологически необходимых величин углов и скоростей поворота колонны насосных штанг при фиксированных длине рабочего хода полированного штока и числе качаний плунжера глубинного насоса для осуществления требуемых режимов работы глубинно-насосной установки с одновременным повышением усталостной долговечности насосных штанг, входящих в состав колонны.

Еще одной целью изобретения является обеспечение поворота колонны насосных штанг в скважинах, искривленных в процессе бурения, и в наклонно направленных скважинах.

Решение поставленной технической задачи достигается тем, что в известном штанговращателе, содержащем закрепленный на канатной подвеске полированный шток, жестко связанный с колонной насосных штанг, корпус с отверстием для полированного штока, механизм поворота полированного штока и преобразователь, новым является то, что механизм поворота полированного штока выполнен в виде установленных в корпусе червячного колеса, жестко связанного с полированным штоком, и червячного вала, сопряженного с червячным колесом, преобразователь содержит обгонную муфту, зубчатую шестерню и подпружиненную зубчатую рейку с хвостовиком и контактным выступом на нем, при этом ведомая часть обгонной муфты закреплена на конце червячного вала, а на наружной поверхности ведущей части обгонной муфты установлена зубчатая шестерня, которая сопряжена с зубчатой рейкой, причем штанговращатель дополнительно снабжен программным блоком с возможностью ручного или автоматического задания программы вращения колонны насосных штанг, программный блок выполнен в виде копира с рабочей поверхностью, закрепленного на одном из плеч рычага, установленного с возможностью поворота в вертикальной плоскости на вертикальной стойке, размещенной на устье скважины, а также двух упоров-ограничителей, закрепленных под рычагом на стойке с возможностью независимого друг от друга поворота в горизонтальной плоскости, и утяжелителя, размещенного на поверхности рычага с возможностью поступательного перемещения по рычагу, при этом копир на плече рычага установлен с возможностью взаимодействия его рабочей поверхности с контактным выступом зубчатой рейки.

Форма рабочей поверхности копира может быть выполнена в виде плоской поверхности, расположенной под тупым углом к горизонтальной плоскости, проходящей через контактный выступ.

Форма рабочей поверхности копира может быть выполнена криволинейной в виде вогнутой или/и выпуклой поверхности с постоянным или переменным радиусом кривизны в поперечном сечении копира, при этом в вертикальном сечении рабочая поверхность копира выполнена в виде прямой линии либо криволинейной.

Копир закреплен на плече рычага с возможностью поворота в вертикальной плоскости на 180^o.

На стойке может быть закреплено несколько программных блоков.

Вертикальная стойка устройства может быть выполнена с возможностью регулирования ее высоты.

На рабочей поверхности копира могут быть выполнены продольные канавки.

Предложенное конструктивное выполнение заявляемого штанговращателя в виде кинематико-механической системы, состоящей из полированного штока и жестко связанной с ним колонны насосных штанг, червячной пары, обгонной муфты, зубчатой передачи и связанного с ней контактного выступа, и копира, установленного на устье скважины с возможностью взаимодействия с контактным выступом, позволяет штанговращателю обеспечить вращение полированного штока, а вместе с ним и колонны насосных штанг исходя из технологических требований эксплуатации скважины.

Благодаря тому что в заявляемом штанговращателе механизм поворота полированного штока выполнен в виде установленных в корпусе червячного колеса, жестко связанного с полированным штоком, и червячного вала, сопряженного с червячным колесом, а преобразователь имеет обгонную муфту (с ведомой и ведущей частями), зубчатую шестерню и подпружиненную зубчатую рейку, на хвостовике которой закреплен контактный выступ, при этом ведомая часть обгонной муфты закреплена на конце червячного вала, а ведущая часть через зубчатую шестерню сопряжена с зубчатой рейкой, обеспечивается преобразование возвратно-поступательного перемещения зубчатой рейки в результате взаимодействия контактного выступа с рабочей поверхностью копира во вращательное движение ведомой части обгонной муфты, а вместе с ней червячного вала, червячного колеса и связанного с ним полированного штока. Причем передача вращения полированному штоку (колонне насосных штанг) под действием силы, приложенной к одному из концов червячного вала в предложенной кинематико-механической системе, происходит плавно, что исключает возможность проявления динамических сил, вызванных взаимодействием контактного выступа с копиром, что, в свою очередь, повышает усталостную долговечность насосных штанг, уменьшает истирание плунжера и цилиндра глубинного насоса.

Введение в устройство программного блока позволяет обеспечить штанговращателю вращение колонны насосных штанг при требуемом технологическими режимами работы глубинно-насосной установки направлении поступательного перемещения колонны, а именно: как при ходе колонны насосных штанг вниз, так и при ходе ее вверх, либо только при ходе вниз, либо только при ходе вверх, причем задание программы вращения колонны насосных штанг можно осуществлять либо вручную, либо автоматически.

Благодаря тому что программный блок выполнен в виде копира, закрепленного на одном из плеч рычага, установленного на вертикальной стойке, размещенной на устье скважины, который закреплен на стойке с возможностью поворота в вертикальной плоскости, а также двух упоров-ограничителей, закрепленных под рычагом на стойке с возможностью независимого друг от друга поворота в горизонтальной плоскости, и утяжелителя, размещенного на поверхности рычага с возможностью поступательного перемещения по рычагу, обеспечивается задание программы вращения колонны насосных штанг при требуемом технологическими режимами работы глубинно-насосной установки направлении поступательного перемещения колонны насосных штанг, а именно:
- при расположении обоих упоров-ограничителей под плечом рычага, на котором закреплен копир, вращение колонны насосных штанг будет осуществляться при поступательном перемещении полированного штока (а вместе с ним и колонны) сверху - вниз;
- при расположении обоих упоров-ограничителей под другим плечом рычага, удаленным от копира, вращение колонны насосных штанг будет иметь место при поступательном перемещении полированного штока снизу - вверх;
- при расположении упоров-ограничителей под противоположными плечами рычага, вращение колонны насосных штанг будет иметь место как при поступательном перемещении полированного штока сверху - вниз, так и при поступательном перемещении снизу - вверх.

Наличие утяжелителя, размещенного на поверхности рычага с возможностью поступательного перемещения по рычагу, позволяет возвращать рычаг с копиром в исходное положение после выхода контактного выступа из соприкосновения с рабочей поверхностью копира при следующих положениях утяжелителя на поверхности рычага:
- при расположении утяжелителя на плече рычага, на котором закреплен копир, рычаг с копиром стремится вниз под собственным весом и весом утяжелителя (упор-ограничитель расположен под плечом рычага с копиром);
- при расположении утяжелителя на противоположном от копира плече рычага рычаг с копиром стремится вверх под весом утяжелителя (упор-ограничитель расположен под противоположным от копира плечом рычага).

Благодаря тому что рычаг на стойке закреплен с возможностью поворота в вертикальной плоскости, появилась возможность при одном направлении поступательного перемещения колонны насосных штанг осуществить поворот (вращение) полированного штока и связанной с ним колонны штанг, а при противоположном направлении поступательного перемещения колонны штанг - исключить поворот полированного штока и колонны штанг, а именно:
- при положении обоих упоров-ограничителей под плечом рычага, на котором закреплен копир, и утяжелителя на этом же плече рычага при ходе колонны штанг снизу- вверх в момент соприкосновения контактного выступа с рабочей поверхностью копира происходит поворот рычага, возвращение его в исходное положение под весом утяжелителя и, как следствие - вращения колонны насосных штанг не происходит;
- при положении обоих упоров-ограничителей под противоположным от копира плечом рычага и утяжелителя на этом же плече, при ходе колонны штанг сверху-вниз в момент соприкосновения контактного выступа с рабочей поверхностью копира происходит поворот рычага, возвращение его в исходное положение под весом утяжелителя и, как следствие - вращения колонны штанг не происходит.

Разнообразие предложенных форм выполнения рабочей поверхности копира позволяет изменять механическое давление контактного выступа хвостовика подпружиненной зубчатой рейки при перемещении его по рабочей поверхности копира в продольном направлении от одного края к другому, обеспечивая тем самым расширение выбора технологических режимов работы глубинно-насосной установки, поскольку появилась возможность достижения технологически необходимых в процессе глубинно-насосной добычи нефти из скважины величин углов и скоростей поворота полированного штока и жестко соединенной с ним колонны насосных штанг при фиксированных длине рабочего хода полированного штока и числе качаний плунжера глубинного насоса.

Благодаря тому что рабочая поверхность копира выполнена в виде плоской поверхности, расположенной под тупым углом к горизонтальной плоскости, проходящей через контактный выступ, достигается, по мере перемещения контактного выступа по рабочей поверхности копира, непрерывное линейное приращение угла поворота колонны насосных штанг на одну и ту же величину при равномерной интенсивности изменения угла поворота, при этом величины скоростей поворота колонны насосных штанг пропорционально соотносятся с величиной скорости движения полированного штока глубинно-насосной установки при фиксированных длине рабочего хода полированного штока и числе качаний глубинного насоса, что обеспечивает равномерное срезание АСПО скребками с поверхности подъемных труб, а также исключает отворачивание насосных штанг, односторонний износ плунжера и цилиндра глубинного насоса, износ насосных штанг. Использование копира данного вида исключает возможное зарождение усталостной трещины в теле насосных штанг благодаря возможности смещения в процессе работы контактного выступа по рабочей поверхности копира и тем самым возможности менять начало поворота колонны насосных штанг, что исключает повторяемость (совпадение) одной и той же траектории криволинейного движения колонны насосных штанг при многократном циклическом нагружении колонны насосных штанг.

Благодаря тому что рабочая поверхность копира выполнена криволинейной в виде вогнутой поверхности, с постоянным радиусом кривизны в поперечном сечении копира, достигается, по мере перемещения контактного выступа по рабочей поверхности копира, непрерывное линейное приращение угла и скорости поворота колонны насосных штанг.

Возможное возникновение, при использовании копира данного вида, повторяемости одной и той же траектории криволинейного движения колонны насосных штанг, обусловленной, при многократном циклическом ее нагружении, постоянным положением начала поворота колонны насосных штанг от соприкосновения контактного выступа рычага с рабочей поверхностью копира при фиксированных длине рабочего хода полированного штока и числе качаний глубинного насоса, вызывает в значительно меньшей степени, по сравнению с известными штанговращателями, возможность зарождения усталостной трещины в теле насосных штанг благодаря предложенной кинематико-механической связи червячной пары, зубчатой передачи и копира.

Благодаря тому что рабочая поверхность копира выполнена криволинейной в виде вогнутой поверхности с переменным радиусом кривизны в поперечном сечении копира и имеющей на пересечении рабочей поверхности копира с продольной секущей плоскостью в виде прямой линии, достигается, по мере перемещения контактного выступа по рабочей поверхности копира, непрерывное, нелинейное приращение угла и скорости поворота колонны насосных штанг. Использование копира данного вида исключает возможное зарождение усталостной трещины в теле насосных штанг благодаря возможности смещения, в процессе работы, контактного выступа рычага по площади рабочей поверхности копира и тем самым возможности менять начало поворота колонны насосных штанг, что исключает повторяемость (совпадение) одной и той же траектории криволинейного движения колонны насосных штанг при многократном циклическом нагружении колонны насосных штанг.

Благодаря тому что рабочая поверхность копира выполнена криволинейной в виде выпуклой поверхности с постоянным радиусом кривизны в поперечном сечении копира, достигается, по мере перемещения контактного выступа по рабочей поверхности копира, непрерывное нелинейное приращение угла и скоростей поворота колонны насосных штанг с достижением наибольшей интенсивности изменения углов и скоростей поворота и динамики вращения колонны насосных штанг в начале пути движения контактного выступа по рабочей поверхности копира данного вида, повышающей степень напряжения силы врезания скребков в АСПО в начале движения колонны насосных штанг как снизу вверх, так и сверху вниз, а также исключает отворачивание насосных штанг, односторонний износ плунжера и цилиндра глубинного насоса, износ насосных штанг.

Благодаря тому что рабочая поверхность копира выполнена выпуклой с переменным радиусом кривизны в поперечном сечении копира, достигается, по мере перемещения контактного выступа по рабочей поверхности копира, непрерывное, нелинейное приращение угла и скорости поворота колонны насосных штанг с достижением наибольшей интенсивности изменения угла и скорости поворота и динамики вращения колонны насосных штанг в начале пути движения контактного выступа по рабочей поверхности копира данного вида, повышающей степень напряжения силы врезания скребков в АСПО в начале движения колонны насосных штанг как снизу вверх, так и сверху вниз, а также исключает отворачивание насосных штанг, односторонний износ плунжера и цилиндра глубинного насоса, износ насосных штанг. Использование копира данного вида исключает возможное зарождение усталостной трещины в теле насосных штанг благодаря возможности смещения, в процессе работы, контактного выступа по площади рабочей поверхности копира и тем самым возможности менять начало поворота колонны насосных штанг, что исключает повторяемость (совпадение) одной и той же траектории криволинейного движения колонны насосных штанг при многократном циклическом нагружении колонны насосных штанг.

Выполнение рабочей поверхности копира в виде пространственной поверхности с переменным направлением вогнутости и выпуклости и переменным радиусом кривизны обеспечивает в еще большей степени расширение выбора технологических режимов работы глубинно-насосной установки.

Благодаря тому что криволинейная рабочая поверхность копира и в вертикальном сечении выполнена криволинейной - выпуклой или вогнутой - достигается, по мере перемещения контактного выступа по рабочей поверхности копира, непрерывное нелинейное приращение угла поворота колонны насосных штанг с достижением наибольшей интенсивности изменения углов поворота, скорости поворота и динамики вращения колонны насосных штанг как в начале пути, так и в конце пути движения контактного выступа по рабочей поверхности копира данной формы, что обеспечивает повышение степени напряжения силы срезания АСПО скребками как при ходе колонны насосных штанг сверху вниз, так и при ходе колонны штанг снизу вверх.

Благодаря тому что копир закреплен на плече рычага с возможностью поворота его в вертикальной плоскости на 180^o, обеспечивается при одном копире поворот колонны насосных штанг как при ходе колонны сверху вниз, так и при ходе ее снизу вверх, обеспечивая тем самым один и тот же закон обкатывания рабочей поверхности копира контактным выступом, что позволяет уменьшить номенклатуру копиров.

Установка на стойке нескольких программных блоков обеспечивает многообразие режимов вращения колонны насосных штанг исходя из требований технологических режимов, за один ход колонны насосных штанг, что повышает качество очистки тела насосных штанг и внутренней поверхности НКТ от АСПО.

Благодаря тому что вертикальная стойка с закрепленным на ее верхнем конце рычагом с копиром выполнена с возможностью регулирования ее высоты, появилась возможность установки начала поворота колонны насосных штанг и возможность ее поворота в технологически необходимом месте по ходу полированного штока.

Благодаря тому что на рабочей поверхности копира выполнены продольные канавки, обеспечивается повышение степени фиксации контактного выступа в пределах рабочей поверхности копира при его перемещении по ней в процессе работы штанговращателя.

Заявляемый штанговращатель поясняется следующими чертежами.

На фиг. 1 изображена схема установки штанговращателя на скважине.

На фиг. 2 изображен общий вид корпуса штанговращателя (вид сбоку).

На фиг. 3 изображен вид корпуса штанговращателя (вид сверху).

На фиг. 4 - вид А фиг. 3.

На фиг. 5 изображен копир с плоской рабочей поверхностью (с канавками на рабочей поверхности).

На фиг. 6 изображен копир с вогнутой рабочей поверхностью с постоянным радиусом кривизны в поперечном сечении копира.

На фиг. 7 - то же с переменным радиусом кривизны.

На фиг. 8 изображен копир с выпуклой рабочей поверхностью с постоянным радиусом кривизны в поперечном сечении копира.

На фиг. 9 - то же с переменным радиусом кривизны.

На фиг. 10 изображен копир с криволинейной рабочей поверхностью в вертикальном сечении копира и с постоянным радиусом кривизны в поперечном сечении.

На фиг. 11 - то же с переменным радиусом кривизны.

Заявляемый штанговращатель монтируют на устье эксплуатационной скважины. Корпус 1 штанговращателя устанавливают вместо верхней траверсы канатной подвески полированного штока 2, закрепляют к головке балансира станка-качалки глубинно-насосной установки на полированном штоке 2 при помощи зажима 3. На фланце 4 колонной головки устья скважины устанавливают вертикальную цилиндрическую стойку 5 с закрепленным на ее верхнем конце копиром 6. Стойка 5 может быть выполнена раздвижной и тем самым регулируемой по высоте (фиг. 1).

Заявляемый штанговращатель (фиг. 2 и фиг. 3) содержит корпус 1 с отверстием для полированного штока 2, закрепленного на канатной подвеске и жестко связанного с колонной насосных штанг, механизм поворота полированного штока, преобразователь и программный блок.

Механизм поворота полированного штока 2 включает червячное колесо 7, установленное в корпусе 1 на подшипниках качения 8, имеющее центральное проходное отверстие, в котором размещен полированный шток 2, при этом полированный шток 2 жестко связан с червячным колесом 7, и червячный вал 9, установленный на подшипниках качения 10, сопряженный с червячным колесом 7.

Преобразователь включает обгонную муфту 11, состоящую из ведомой 12 и ведущей 13 частей, зубчатую шестерню 14, закрепленную снаружи на ведущей части 13 обгонной муфты 11, и зубчатую рейку 15. Зубчатая рейка 15 сопряжена с шестерней 14, подпружинена пружиной 16 и имеет хвостовик 17, на котором закреплен контактный выступ 18. Ведомая 12 часть обгонной муфты 11 закреплена на конце червячного вала 10, на другом конце которого установлен механизм, исключающий обратное вращение червячной пары (червячное колесо 8 - червячный вал 10), выполненный, например, в виде храповика 19, взаимодействующего с тормозной собачкой 20.

Программный блок штанговращателя содержит копир 6, закрепленный на одном из плеч рычага 21, установленного на верхнем конце вертикальной стойки 5 на оси 22 с возможностью поворота в вертикальной плоскости, два упора-ограничителя 23, 24, закрепленные на стойке 5 под рычагом 21 с возможностью независимого друг от друга поворота в горизонтальной плоскости, а также утяжелитель 25, размещенный на поверхности рычага 21 с возможностью перемещения от одного конца рычага 21 к другому концу. Копир 6 имеет рабочую поверхность 26 и закреплен на плече рычага 21 с возможностью взаимодействия его рабочей поверхности 26 с контактным выступом 18 на хвостовике 17 зубчатой рейки 15. На рабочей поверхности 26 копира 6 выполнены продольные канавки 27. Копир 6 закреплен на плече рычага 21 с возможностью поворота его в вертикальной плоскости на 180^o. Стойка 5 выполнена с возможностью регулирования ее высоты. На стойке 5 может быть установлено несколько программных блоков.

Заявляемый штанговращатель содержит копиры с различными формами рабочей поверхности.

Общим для каждой из форм рабочей поверхности 26 копира 6 является то, что она выполнена с изменением механического сопротивления движению контактного выступа 18 по рабочей поверхности 26 копира 6 в процессе работы в продольном направлении от одного его края к другому, которое определено формой рабочей поверхности через расстояние между геометрическими точками каждого последующего горизонтального линейного и нелинейного рядов геометрических точек рабочей поверхности копира и продольной осью полированного штока, превышающим расстояние между продольной осью полированного штока и геометрическими точками каждого предыдущего линейного и нелинейного горизонтального рядов геометрических точек рабочей поверхности копира. Наряду с указанным соотношением расстояний геометрических точек последующего и предыдущего горизонтальных линейных и нелинейные рядов рабочей поверхности копира от продольной оси полированного штока каждая форма рабочей поверхности копира определяется также и формой поперечного сечения рабочей поверхности каждого данного вида копира.

Заявляемый штанговращатель имеет следующие виды копиров в зависимости от формы рабочей поверхности в поперечном сечении:
- с рабочей поверхностью плоской формы, расположенной под тупым углом к горизонтальной плоскости, проходящей через контактный выступ (фиг. 5);
- с вогнутой рабочей поверхностью с постоянным радиусом кривизны в поперечном сечение (фиг.6);
- с вогнутой рабочей поверхностью с переменным радиусом кривизны (фиг. 7);
- с выпуклой рабочей поверхностью с постоянным радиусом кривизны (фиг. 8);
- с выпуклой рабочей поверхностью с переменным радиусом кривизны (фиг. 9);
- с криволинейной рабочей поверхностью в вертикальном сечении копира с постоянным радиусом кривизны (фиг. 10);
- с криволинейной рабочей поверхностью в вертикальном сечении с переменным радиусом кривизны (фиг. 11).

Работа заявляемого штанговращателя осуществляется следующим образом.

Для обеспечения эффективной работы глубинно-насосной установки в требуемом условиями эксплуатации режиме предварительно выбирают, при каком направлении поступательного перемещения колонны насосных штанг штанговращатель должен вращать колонну насосных штанг. Программа задается вручную или автоматически установкой упоров-ограничителей 23, 24 относительно плечей рычага 21, утяжелителя 25, выбором количества программных блоков, высотой стойки 5 и т.д.

Величина угла поворота и скорость вращения колонны насосных штанг, необходимые для обеспечения данных условий эксплуатации, определяются геометрическими характеристиками рабочей поверхности 26 копира 6.

При ходе колонны насосных штанг и связанного с ней полированного штока 2, например, сверху вниз и при расположении упоров-ограничителей 23 и 24 под плечом рычага 21, на котором закреплен копир, наступает момент, когда контактный выступ 18 на хвостовике 17 зубчатой рейки 15 входит в соприкосновение с рабочей поверхностью 26 копира 6 и обкатывает ее. В результате зубчатая рейка 15 начинает перемещаться поступательно. Поступательное перемещение зубчатой рейки 15 через зубчатую шестерню 14 преобразуется во вращательное движение ведущей части 13 обгонной муфты, которая поворачивает ведомую ее часть 12. А так как ведомая часть 12 обгонной муфты 11 жестко связана с червячным валом 10, происходит поворот полированного штока 2 и жестко связанной с ним колонны насосных штанг в скважине.

При прекращении процесса обкатывания рабочей поверхности 26 копира 6 контактным выступом 18 процесс вращения колонны насосных штанг при ходе ее сверху вниз завершается. Пружина 16 возвращает зубчатую рейку 15 в исходное положение. Ведущая часть 13 обгонной муфты 11 проскальзывает относительно ее ведомой части 12, тем самым исключая поворот червячного вала 10. Храповик 19, установленный на червячном валу 10, взаимодействует с тормозной собачкой 20, предотвращая обратное вращение червячной пары и тем самым возможное возникновение динамического удара.

При обратном ходе колонны насосных штанг и связанного с ней полированного штока 2 снизу вверх наступает момент, когда контактный выступ 18 вновь входит в соприкосновение с рабочей поверхностью 26 копира 6, и происходит поворот рычага 21 вокруг оси 22 на стойке 5. Величина отклонения рычага 21 определяется геометрическими характеристиками рабочей поверхности 26 копира 6. При повороте рычага 21 контактный выступ 18 выходит за пределы рабочей поверхности 26 копира 6, после чего рычаг 21 возвращается в исходное положение, определяемое весом утяжелителя 25 и собственным весом. Поворота полированного штока 2 и вместе с ним колонны штанг не происходит. Цикл работы глубинно-насосной установки заканчивается.

Работа штанговращателя при положении упоров-ограничителей 23,24 под плечом рычага 21, удаленным от копира 6, осуществляется следующим образом.

При ходе колонны насосных штанг и связанного с ней полированного штока сверху вниз наступает момент, когда контактный выступ 18 зубчатой рейки 15 входит в соприкосновение с рабочей поверхностью 26 копира 6, в результате чего происходит поворот рычага 21 вокруг оси 22 на стойке 5. Величина отклонения рычага 21 определяется геометрическими характеристиками рабочей поверхности 26 копира 6. При повороте рычага 21 контактный выступ 18 выходит за пределы рабочей поверхности 26 копира 6, и рычаг 21 под действием собственного веса и веса утяжелителя 25 возвращается в исходное положение. Как следствие - поворота колонны насосных штанг при перемещении ее сверху вниз не происходит.

При обратном ходе колонны насосных штанг снизу вверх (при том же расположении упоров-ограничителей) наступает момент, когда контактный выступ 18 зубчатой рейки 15 входит в соприкосновение с рабочей поверхностью 26 копира 6 и обкатывает ее. Зубчатая рейка 15 начинает перемещаться. Поступательное перемещение зубчатой рейки 15 через зубчатую шестерню 14 преобразуется во вращательное движение ведущей части 13 обгонной муфты 11, которая поворачивает ее ведомую часть 12. А так как ведомая часть 12 обгонной муфты 11 жестко связана с червячным валом 10, то происходит поворот полированного штока 2 и жестко связанной с ним колонны насосных штанг в скважине.

При прекращении процесса обкатывания рабочей поверхности 26 копира 6 контактным выступом 18 процесс вращения колонны насосных штанг при ходе ее снизу вверх завершается. Подпружиненная зубчатая рейка 15 возвращается в исходное положение, при этом ведущая часть 13 обгонной муфты 11 проскальзывает относительно ведомой ее части 12, жестко связанной с червячным валом 10 штанговращателя.

Работа штанговращателя при расположении упоров-ограничителей 23 и 24 на противоположных плечах рычага 21 осуществляется следующим образом.

При ходе колонны насосных штанг сверху вниз наступает момент, когда контактный выступ 18 зубчатой рейки 15 входит в соприкосновение с внешней рабочей поверхностью 26 копира 6 и обкатывает ее. При обкатывании рабочей поверхности 26 копира 6 происходит поступательное перемещение зубчатой рейки 15, вращательное движение ведущей части 13 обгонной муфты 11, ведомая часть 12 которой жестко связана с червячным валом 10 штанговращателя, поворачивая его. Как следствие - происходит поворот полированного штока 2 и жестко связанной с ним колонны насосных штанг.

При прекращении процесса обкатывания копира 6 контактным выступом 18 процесс вращения колонны насосных штанг при ходе ее сверху вниз завершается, и подпружиненная зубчатая рейка 15 возвращается в исходное положение, при этом ведущая часть 13 обгонной муфты 11 проскальзывает относительно ее ведомой 12 части.

Далее процесс повторяется. При ходе колонны насосных штанг снизу вверх наступает очередной момент, когда контактный выступ 18 зубчатой рейки 15 входит в соприкосновение с внешней рабочей поверхностью 26 копира 6 и обкатывает ее. При обкатывании происходит поступательное перемещение зубчатой рейки 15, вращательное движение ведущей части 13 обгонной муфты 11, ведомая часть 12 которой жестко связана с червячным валом 10 штанговращателя. Как следствие - происходит поворот полированного штока 2 и жестко связанной с ним колонны насосных штанг при поступательном перемещении ее снизу вверх. При прекращении процесса обкатывания копира 6 контактным выступом 18 процесс вращения колонны насосных штанг при ходе ее снизу вверх завершается и подпружиненная зубчатая рейка 15 возвращается в исходное положение, при этом ведущая часть 13 обгонной муфты 11 проскальзывает относительно ее ведомой 12 части. Далее цикл работы штанговращателя продолжается.

Предназначается для осуществления поворота колонны насосных штанг при ходе плунжера глубинного насоса. Механизм поворота полированного штока включает червячное колесо, жестко связанное с полированным штоком, и червячный вал, сопряженный с червячным колесом. Преобразователь включает обгонную муфту, связанную с червячным валом, зубчатую шестерню и зубчатую рейку. Зубчатая рейка имеет на конце контактный выступ, установленный с возможностью взаимодействия с рабочей поверхностью копира программного блока. Программный блок также содержит рычаг, на котором закреплен копир, два упора-ограничителя и утяжелитель. Копир имеет различные формы рабочих поверхностей. Положение рычага на стойке, расположение упоров-ограничителей и утяжелителя относительно рычага позволяет задать программу вращения колонны насосных штанг при требуемом технологическими режимами работы глубинно-насосной установки направлении поступательного перемещения колонны насосных штанг. Расширяются технические возможности штанговращателя за счет обеспечения вращения колонны насосных штанг как при ходе ее вниз, так и при ходе ее вверх, или при ходе колонны только вниз или только вверх. 5 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Штанговращатель колонны насосных штанг глубинно-насосной установки, содержащий закрепленный на канатной подвеске полированный шток, жестко связанный с колонной насосных штанг, корпус с отверстием для полированного штока, механизм поворота полированного штока и преобразователь, отличающийся тем, что механизм поворота полированного штока выполнен в виде установленных в корпусе червячного колеса, жестко связанного с полированным штоком, и червячного вала, сопряженного с червячным колесом, преобразователь содержит обгонную муфту, зубчатую шестерню и подпружиненную зубчатую рейку с хвостовиком и контактным выступом на нем, при этом ведомая часть обгонной муфты закреплена на конце червячного вала, а на наружной поверхности ведущей части обгонной муфты установлена зубчатая шестерня, которая сопряжена с зубчатой рейкой, причем штанговращатель дополнительно снабжен одним или несколькими программными блоками с возможностью ручного или автоматического задания программы вращения колонны насосных штанг, программный блок выполнен в виде копира с рабочей поверхностью, закрепленного на одном из плеч рычага, установленного с возможностью поворота в вертикальной плоскости на вертикальной стойке, размещенной на устье скважины, а также двух упоров-ограничителей, закрепленных под рычагом на стойке с возможностью независимого друг от друга поворота в горизонтальной плоскости, и утяжелителя, размещенного на поверхности рычага с возможностью поступательного перемещения по рычагу, при этом копир на плече рычага установлен с возможностью взаимодействия его рабочей поверхности с контактным выступом зубчатой рейки. 2. Штанговращатель по п.1, отличающийся тем, что форма рабочей поверхности копира выполнена в виде плоской поверхности, расположенной под тупым углом к горизонтальной плоскости, проходящей через контактный выступ. 3. Штанговращатель по п.1, отличающийся тем, что форма рабочей поверхности копира выполнена криволинейной в виде вогнутой или/и выпуклой поверхности с постоянным или переменным радиусом кривизны в поперечном сечении копира, при этом в вертикальном сечении рабочая поверхность копира выполнена в виде прямой линии либо криволинейной. 4. Штанговращатель по п.1, отличающийся тем, что копир закреплен на плече рычага с возможностью поворота в вертикальной плоскости на 180^o. 5. Штанговращатель по одному из пп.1 - 4, отличающийся тем, что вертикальная стойка устройства выполнена с возможностью регулирования ее высоты. 6. Штанговращатель по одному из пп.1 - 5, отличающийся тем, что на рабочей поверхности копира выполнены продольные канавки.