МЕХАТРОННАЯ НЕФТЕКАЧАЛКА Российский патент 2002 года по МПК F04B47/02 

Изобретение относится к технике для добычи нефти, в частности к приводу скважинных штанговых насосных установок, непосредственно сочлененных с обсадными трубами, и может быть использовано при добыче пластовых жидкостей из нефтяных и других скважин.

Известна мехатронная нефтекачалка (патент США 3691858, кл. Н 02 К 7/10, "Электропривод"), содержащая корпус, электродвигатель, жестко сочлененный с корпусом, преобразователь вращательного движения в поступательное, состоящий из винта, соединенного посредством передаточного звена, например редуктора, с валом электродвигателя, и ходовой гайки, сочлененной посредством трубы с элементом передачи осевого усилия.

Недостатком известной мехатронной нефтекачалки, работающей в режиме однонаправленной осевой нагрузки (например, за счет веса штанговой колонны и плунжерного насоса в нефтескважине), является повышенное энергопотребление из-за невозможности обеспечения рекуперации энергии посредством ее накопления в пассивном режиме холостого хода (например, при опускании штанговой колонны в скважину) и использовании ее в активном режиме (например, при подъеме нефти на поверхность земли).

Известна также мехатронная нефтекачалка (а.с. СССР 989139, кл. F 04 В 47/02, "Привод скважинной штанговой насосной установки"), являющаяся прототипом предлагаемого изобретения, содержащая фундамент с рельсовыми путями, корпус, электродвигатель, жестко соединенный с корпусом, блок управления с датчиками реверса, винтовой преобразователь вращательного движения в поступательное, состоящий из гайки, жестко сочлененной с ротором электродвигателя, и ходового винта, механический рекуператор энергии, включающий в себя два вращающихся элемента с размещенными на них гибкими звеньями, концы которых шарнирно соединены с одной стороны с противовесом, а с другой - с траверсой, связанной с колонной насосных штанг.

Достоинством известной мехатронной нефтекачалки является наличие механического рекуператора энергии в виде противовеса, компенсирующего вес штанговой колонны с плунжерным насосом, благодаря которому снижается мощность электродвигателя и, как результат, уменьшается энергопотребление привода.

Недостатками известной мехатронной нефтекачалки являются пониженный ресурс, обусловленный консольностью закрепления винта преобразователя вращательного движения в поступательное и негерметичностью корпуса привода за счет наличия в нем прорезей для пропуска гибких элементов, соединяющих через шкив противовес и траверсу, связанную с колонной насосных штанг, что предопределяет возможность заноса посредством гибких элементов загрязнений из атмосферы на винт преобразователя вращательного движения в поступательное. Недостатком известной нефтекачалки является также значительная собственная масса, обусловленная наличием противовеса. Кроме того, известная мехатронная нефтекачалка характеризуется недостаточным вентиляционным обдувом электродвигателя вследствие низкой частоты вращения управляемого реверсивного электродвигателя при непосредственном сочленении ротора с винтовым преобразователем вращательного движения в поступательное. Вращение вентилятора, сочлененного с валом электродвигателя, с частотой, значительно меньшей по сравнению с номинальной, обуславливает неэффективность работы встроенного вентилятора. Это обстоятельство предопределяет необходимость использования в мехатронной нефтекачалке электродвигателя заведомо большей мощности, что неизбежно приведет к возрастанию ее массы.

Задачей изобретения является создание мехатронной нефтекачалки с увеличенным ресурсом и уменьшенной общей массой.

Это достигается тем, что мехатронная нефтекачалка, содержащая корпус, электродвигатель, сочлененный с корпусом, блок управления с датчиками реверса, винтовой преобразователь вращательного движения в поступательное, состоящий из ходовой гайки и винта, сочлененного посредством передаточного звена с валом электродвигателя, снабжена минимум одним пневмоцилиндром, сочлененным с корпусом нефтекачалки, который, в свою очередь, снабжен подшипниковым щитом с минимум двумя сквозными отверстиями, винт преобразователя установлен в подшипнике указанного щита, ходовая гайка снабжена минимум одним штоком, расположенным в одном из сквозных отверстий щита и своим концом сочлененным с элементом передачи осевого усилия, поршневой шток пневмоцилиндра расположен в другом сквозном отверстии подшипникового щита и сочленен с элементом передачи осевого усилия, электродвигатель мехатронной нефтекачалки снабжен защитным кожухом с минимум одним отверстием, пневмоцилиндр снабжен выхлопным патрубком, конец которого расположен в указанном отверстии.

Также мехатронная нефтекачалка может быть снабжена подшипниковым щитом и минимум одним ресивером, одна из торцовых поверхностей которого соединена с подшипниковым щитом, а другая - с опорным щитом.

Кроме того, мехатронная нефтекачалка может быть снабжена датчиками скорости перемещения и положения штангового насоса, датчиком уровня нефти в скважине, установленным на устьевой части обсадной трубы.

Также мехатронная нефтекачалка может быть снабжена тормозом, фиксирующим ходовую гайку преобразователя вращательного движения в поступательное в требуемом положении.

Кроме того, мехатронная нефтекачалка может быть снабжена шарнирным элементом, неподвижная часть которого соединена с пьедесталом, жестко сочлененным с обсадной трубой нефтескважины, а подвижная часть сочленена с опорным щитом.

Также, мехатронная нефтекачалка может быть снабжена, как минимум, тремя расчалками.

На чертеже изображена предложенная мехатронная нефтекачалка (система управления работой электродвигателя и датчики реверса не приводятся).

Мехатронная нефтекачалка представляет собой совмещенную конструкцию электродвигателя 1, датчиков положения и скорости 2, преобразователя вращательного движения в поступательное, состоящего из ходовой гайки 3 и винта 4, а также пневматического рекуператора энергии, состоящего из пневмоцилиндров 5 и ресиверов 6. Электродвигатель 1 жестко сочленен с корпусом 7, снабженным двумя щитами 8 и 9, в подшипниках 10 и 11 которых установлен винт 4 преобразователя вращательного движения в поступательное. Подшипниковый щит 9 (со стороны элемента передачи осевого усилия 12, сочлененного с колонной штанг 13) снабжен сквозными отверстиями, через которые проходят штоки 14, одним своим концом сочлененные с ходовой гайкой 3, а другим - с элементом передачи осевого усилия 12 (на чертеже в качестве примера показаны два штока 14), а также штоки 15, одним своим концом сочлененные с поршнем 16 пневмоцилиндра 5, а другим - с элементом передачи осевого усилия 12 (на чертеже в качестве примера показаны два штока 15). Винт 4 преобразователя вращательного движения в поступательное сочленен с валом электродвигателя 1. Корпусы 17 пневмоцилиндров 5 (в качестве примера на чертеже представлено два пневмоцилиндра) присоединены к корпусу 7 нефтекачалки. Концевые части выхлопных патрубков 18 пневмоцилиндров 5 (в качестве примера на чертеже представлено два выхлопных патрубка) установлены в отверстиях защитного кожуха 19 электродвигателя 1. Ресиверы 6 (в качестве примера на чертеже представлены четыре цилиндрических ресивера, трубопроводы, их соединяющие, не показаны) одним своим торцом соединены с платформой нефтекачалки 20, другим - с подшипниковым щитом 9. Ресиверы 6, выполняя свое основное назначение, являются одновременно конструктивными элементами фермы, сочленяющей корпус 7 привода с платформой 20 нефтекачалки. Неподвижная часть шарнирного элемента 21 сочленена с пьедесталом 22 (платформа на устьевой части обсадной трубы 23), а подвижная часть сочленена с платформой 20 нефтекачалки. Датчик уровня нефти в скважине 24 (например, акустический глубиномер) установлен на обсадной трубе 23 нефтескважины. Противодействие ветровому напору на мехатронную нефтекачалку осуществляется за счет расчалок 25 (в качестве примера на чертеже представлено четыре расчалки).

Мехатронная нефтекачалка работает следующим образом. При подаче напряжения от блока управления на электродвигатель 1 его вал, а следовательно, и сочлененный с ним винт 4 начинают вращаться. Ходовая гайка 3 при этом периодически перемещается в ту или другую сторону в зависимости от направления вращения вала электродвигателя. Периодически в ту или иную сторону будет также перемещаться элемент передачи осевого усилия 12, связанный с ходовой гайкой 3 посредством штоков 14. Наличие щита 9 и установка винта 4 преобразователя вращательного движения в поступательное в двух подшипниках 10 и 11 устраняет консольность винта, имеющую место в прототипе. В результате возрастает прочность конструкции и, как следствие, повышается ресурс нефтекачалки. Герметичность корпуса 7, внутри которого находится преобразователь вращательного движения в поступательное (например, роликовинтовой), предохраняет от загрязнения ходовую гайку 3 и винт 4. В результате уменьшается износ элементов преобразователя и повышается ресурс мехатронной нефтекачалки.

Использование в качестве рекуператора энергии пневмоцилиндров 5 с ресиверами 6 позволяет существенно снизить собственную массу нефтекачалки, поскольку масса пневмоцилиндра совместно с ресивером значительно меньше массы противовеса, соответствующей массе штанговой колонны и плунжерного насоса (в пределах нескольких тонн).

Особенностью работы реверсивного электродвигателя, используемого в приводе известной и предлагаемой нефтекачалок, является пониженная частота вращения. Естественно, что штатный вентилятор электродвигателя, находящийся на валу ротора и вращающийся с пониженной скоростью, не может выполнить свою основную функцию - отвод тепла, выделяемого электродвигателем. В результате появляется необходимость либо введения дополнительного вентилятора и электродвигателя, его вращающего, либо использовать реверсивный электродвигатель заведомо большей мощности. И то и другое приводит к увеличению собственной массы нефтекачалки. В предлагаемой конструкции мехатронной нефтекачалки воздух из надпоршневого объема пневмоцилиндров 5 через патрубки 18 поступает внутрь защитного кожуха 19, обтекая поверхность электродвигателя 1. При опускании штанговой колонны поршень 16 пневмоцилиндра движется вниз. Засасываемый из атмосферы воздух обтекает электродвигатель, охлаждая его поверхность. При подъеме нефти из скважины поршень 16 пневмоцилиндра движется вверх, выталкивая надпоршневой воздух в защитный кожух 19. Таким образом, охлаждение электродвигателя осуществляется непрерывно. Наличие достаточно эффективного охлаждения позволяет использовать в приводе электродвигатель меньшей мощности, следствием чего является снижение собственной массы нефтекачалки.

Конструкция предложенной нефтекачалки позволяет исключить фундамент и установить мехатронную нефтекачалку непосредственно на обсадную трубу 23 нефтескважины, что приводит к дальнейшему снижению массы нефтекачалки.

Кроме того, наличие датчика 24 уровня нефти в скважине, а также датчиков положения и скорости перемещения плунжерного насоса 2 позволяет организовать замкнутую систему управления работой привода, что предопределяет возможность оперативно изменять величину погружения и скорость перемещения насоса в зависимости от дебита скважины и кондиции нефти, следствием чего является оптимальный характер работы нефтекачалки с максимальным коэффициентом полезного действия и минимальными энергозатратами.

В предлагаемой нефтекачалке функцию рельсовых путей, обеспечивающих перемещение нефтекачалки по прототипу в сторону от обсадной трубы, выполняет шарнирное звено 21, позволяющее осуществлять наклон нефтекачалки в нужных пределах (за счет изменения длин расчалок), освобождая устье обсадной трубы для регламентных работ на скважине. Таким образом, введение шарнирного звена 21 позволяет устранить фундамент и рельсовые пути и, как следствие, снизить массу мехатронной нефтекачалки и упростить ее конструкцию.

Наличие в предлагаемой мехатронной нефтекачалке тормоза, фиксирующего ходовую гайку 3 и штанговую колонну 13 в требуемом положении, позволяет упростить регламентные работы (например, ремонт и замену пневмоцилиндров).

Кроме того, размещение сочлененных с ходовой гайкой 3 штоков 14 в сквозных отверстиях подшипникового щита 9 предопределяет невозможность проворачивания ходовой гайки 3. Вследствие этого, отпадает необходимость в специальных устройствах фиксации ходовой гайки 3 от проворачивания, что приводит к упрощению конструкции.

Устройство предназначено для использования в приводах скважинных штанговых насосных установок, непосредственно сочлененных с обсадными трубами. Мехатронная нефтекачалка (МН) представляет собой совмещенную конструкцию электродвигателя (ЭД), винтового преобразователя вращательного движения в поступательное (ВП) и рекуператора энергии, включающего в себя пневмоцилиндры (ПЦ) и ресиверы (Р). Предложенная МН содержит ЭД, установленный на корпусе. Вал ЭД сочленен с винтом ВП, установленным в подшипниках. Ходовая гайка ВП сочленена с ходовыми штоками, проходящими через сквозные отверстия подшипникового щита и соединенными с элементом передачи осевого усилия. Корпус ПЦ соединен с корпусом МН, поршневой шток ПЦ размещен в сквозном отверстии подшипникового щита и сочленен с элементом передачи осевого усилия. Выхлопные патрубки ПЦ своими концами размещены в отверстиях защитного кожуха ЭД. Мехатронная нефтекачалка обладает пониженной собственной массой и увеличенным ресурсом. 5 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Мехатронная нефтекачалка, содержащая корпус, электродвигатель, сочлененный с корпусом, рекуператор энергии, блок управления с датчиками реверса, винтовой преобразователь вращательного движения в поступательное, состоящий из гайки и винта, сочлененного посредством передаточного звена с валом электродвигателя, отличающаяся тем, что она снабжена элементом передачи осевого усилия, рекуператор энергии выполнен в виде как минимум одного пневмоцилиндра, сочлененного с корпусом нефтекачалки, который, в свою очередь, снабжен подшипниковым щитом с минимум двумя сквозными отверстиями, винт преобразователя установлен в подшипнике указанного щита, ходовая гайка снабжена минимум одним штоком, расположенным в одном из сквозных отверстий щита и своим концом сочлененным с элементом передачи осевого усилия, поршневой шток пневмоцилиндра расположен в другом сквозном отверстии подшипникового щита и сочленен с элементом передачи осевого усилия, электродвигатель снабжен защитным кожухом с минимум одним отверстием, пневмоцилиндр снабжен выхлопным патрубком, конец которого расположен в указанном отверстии. 2. Мехатронная нефтекачалка по п.1, отличающаяся тем, что она снабжена опорным щитом, а рекуператор энергии имеет дополнительно минимум один ресивер, одна торцовая поверхность которого соединена с подшипниковым щитом, а другая - с опорным щитом. 3. Мехатронная нефтекачалка по п.2, отличающаяся тем, что она снабжена шарнирным элементом, неподвижная часть которого соединена с пьедесталом, жестко сочлененным с обсадной трубой нефтескважины, а подвижная часть - с опорным щитом. 4. Мехатронная нефтекачалка по п.1, отличающаяся тем, что она снабжена датчиком положения, датчиком скорости линейного перемещения элемента передачи осевого усилия и датчиком уровня нефти в скважине, установленным на устьевой части обсадной трубы. 5. Мехатронная нефтекачалка по п.1, отличающаяся тем, что преобразователь вращательного движения в поступательное снабжен тормозом. 6. Мехатронная нефтекачалка по п.1, отличающаяся тем, что она снабжена как минимум тремя расчалками.