ГРУППОВОЙ ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ПРИВОД СКВАЖИННЫХ ШТАНГОВЫХ НАСОСОВ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2003 года по МПК F04B47/04 

Изобретение относится к технике для добычи нефти, в частности к групповым приводам скважинных штанговых насосов (СШ насосов), и может быть использовано в нефтедобывающей промышленности при эксплуатации куста скважин.

Традиционными устройствами приводов СШ насоса для добычи нефти являются станки-качалки.

С их устройством можно ознакомиться в [1]. Как правило, приводным элементом станка-качалки является асинхронный нерегулируемый электродвигатель, который через редуктор и кривошипно-шатунный механизм приводит в действие траверсу с присоединенным к ней СШ насосом. При этом для изменения закона перемещения СШ насоса (амплитуды, частоты) необходимо останавливать привод и производить переустановку тяг и противовесов. Закон перемещения СШ насоса является постоянным вне зависимости от индивидуальных особенностей скважины.

Известны также станки-качалки с регулируемым электроприводом, в них имеется возможность изменять частоту и закон перемещения СШ насоса при неизменной амплитуде, что является достоинством регулируемых электроприводов.

К недостаткам таких приводов следует отнести повышенное энергопотребление и низкий КПД.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому групповому электрогидравлическому приводу скважинных штанговых насосов является групповой гидравлический привод СШ насосов [2] с взаимным уравновешиванием.

Он содержит гидроцилиндры 1 и 7, распределитель 2, насос 3, гидравлический бак 4 и предохранительный клапан 5.

Нижние полости гидроцилиндров 1 и 7 соединены трубопроводом, а верхние полости гидроцилиндров подключены к распределителю 2.

Распределитель обеспечивает попеременную подачу рабочей жидкости из гидравлического бака 4 от насоса 3 в верхние полости гидроцилиндров 1 и 7. В результате поршень одного из гидроцилиндров движется вниз и вытесняемая жидкость из нижней полости направляется в одноименную полость другого гидроцилиндра, поршень которого перемещается вверх. После достижения поршнем крайнего верхнего положения распределитель 2 переключается и направление движения поршней изменяется на противоположное. Защита гидросистемы от перегрузки обеспечивается предохранительным клапаном 5.

Таким образом, два гидроцилиндра, соединенные через штанги с СШ насосами и установленные в различных скважинах, уравновешивают друг друга и работают в противофазе друг другу.

Достоинствами такого группового гидравлического привода СШ насосов являются:
- существенное снижение мощности приводного двигателя, повышение удельной мощности, так как один привод работает на две и более скважины;
- уменьшение габаритов и массы прискважинного оборудования;
- возможность оперативного изменения амплитуды и частоты перемещения СШ насосов.

Однако у данного группового гидравлического привода есть определенные недостатки.

В нем возможна реализация только двух законов перемещения поршней гидроцилиндров: треугольного - при перемещении распределителя из одного крайнего положения в другое и трапецеидального, если при переключении гидрораспределителя производится выдержка золотника гидрораспределителя в среднем положении, когда поршни гидроцилиндров останавливаются.

При треугольном законе перемещения поршней гидроцилиндров возникают большие скачкообразные нагрузки на штоке гидроцилиндра, соединенного через штангу с СШ насосом во время изменения направления перемещения поршней гидроцилиндра, которые могут привести к обрыву штанги. Кроме того, при данном законе перемещения не учитывается вязкость пластовой фракции и, как следствие, не происходит полного заполнения СШ насоса, что приводит к снижению производительности скважины.

При трапецеидальном законе перемещения поршней гидроцилиндров устанавливают выдержку во времени золотника гидрораспределителя в крайних положениях поршней гидроцилиндров для более полного заполнения СШ насосов. Величину выдержки можно регулировать в зависимости от особенностей скважины.

Однако при остановке и трогании поршней гидроцилиндров также возникают большие скачкообразные нагрузки на штоках гидроцилиндров, соединенных через штанги с СШ насосами, которые могут привести к обрыву штанг.

Для устранения возникающих скачкообразных нагрузок необходимо применять дросселирующие гидрораспределители, что существенно снижает КПД гидравлического привода СШ насосов.

Перечисленные недостатки можно устранить, если реализовать синусоидальный закон перемещения поршней гидроцилиндров с одновременной выдержкой их во времени в крайних положениях для максимального заполнения СШ насосов.

Технической задачей изобретения в обоих вариантах является создание группового электрогидравлического привода СШ насосов с возможностью реализации в нем любого закона перемещения поршней гидроцилиндров и повышение КПД группового привода.

В первом варианте указанная цель достигается тем, что в групповой электрогидравлический привод скважинных штанговых насосов, содержащий приводной двигатель, связанный с гидронасосом, гидроцилиндры, одноименные полости которых соединены между собой трубопроводом, и блок управления, согласно изобретению дополнительно введен реверсивный гидронасос переменной производительности с электрогидравлическим регулятором, управляющий вход гидронасоса соединен с выходом блока управления, при этом выходы гидронасоса трубопроводами соединены с другими одноименными полостями гидроцилиндров.

Во втором варианте указанная цель достигается тем, что в групповой электрогидравлический привод скважинных штанговых насосов, содержащий приводной двигатель, связанный с гидронасосом, гидроцилиндры, одноименные полости которых соединены между собой трубопроводом, гидрораспределитель и блок управления, согласно изобретению дополнительно введен гидронасос переменной производительности с электрогидравлическим регулятором, управляющий вход гидронасоса соединен с первым выходом блока управления, при этом вход и выход гидронасоса трубопроводами соединены через гидрораспределитель с другими одноименными полостями гидроцилиндров, причем блок управления снабжен вторым выходом, соединенным с управляющим входом гидрораспределителя.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается наличием гидронасоса с электрогидравлическим регулятором и его связями с остальными элементами устройства, а также наличием новых связей среди элементов устройства.

Таким образом, заявляемый групповой электрогидравлический привод СШ насосов соответствует критерию изобретения "новизна".

Сравнение заявляемого технического решения с другими решениями, известными в данной области техники, показывает, что в технике широко известны гидронасосы переменной производительности с электрогидравлическими регуляторами [3] . Однако при их введении в указанной связи с остальными элементами устройства они придают устройству новые свойства: повышаются КПД и технические (потребительские) возможности группового электрогидравлического привода СШ насосов.

Это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию "изобретательский уровень".

На фиг.1 представлена принципиальная схема заявляемого группового электрогидравлического привода СШ насосов по первому варианту.

На фиг.2 представлена принципиальная схема заявляемого группового электрогидравлического привода СШ насосов по второму варианту.

На фиг.3 приведена функциональная схема блока управления.

Электрогидравлический привод СШН по первому варианту (фиг.1) содержит реверсивный гидронасос 1 переменной производительности, приводимый в действие двигателем 2. Выходы гидронасоса 1 при помощи трубопроводов 3 и 4 соединяются с одноименными, например штоковыми, полостями гидроцилиндров 5 и 6. Другие одноименные, например поршневые, полости гидроцилиндров соединяются между собой трубопроводом 7. Управление подачей гидронасоса осуществляется при помощи электрогидравлического регулятора 8, вход которого подключен к выходу блока управления 9. На одном валу с основным гидронасосом 1 находится вспомогательный насос 10, вход которого соединен с гидробаком 11. Выход вспомогательного насоса соединен со входами предохранительного клапана 12 и подпиточных клапанов 13 и 14. Выход предохранительного клапана 12 соединяется с гидробаком 11. Выходы подпиточных клапанов 13 и 14 соединяются соответственно с трубопроводами 3 и 4.

Электрогидравлический привод СШН по второму варианту (фиг.2) содержит нереверсивный гидронасос 1 переменной производительности, приводимый в действие двигателем 2. Вход и выход гидронасоса через управляемый релейный гидрораспределитель, служащий для изменения направления потока рабочей жидкости, трубопроводами 3 и 4 соединяются с соответствующими, например штоковыми, полостями гидроцилиндров 5 и 6. Одноименные, например поршневые, полости гидроцилиндров соединяются между собой трубопроводом 7. Управление подачей гидронасоса 1 осуществляется при помощи электрогидравлического регулятора 8, вход которого подключен к первому выходу блока управления 9, а управление релейным гидрораспределителем 15 осуществляется со второго выхода блока управления 9.

Групповой электрогидравлический привод СШ насосов по первому варианту работает следующим образом.

При нулевом управляющем сигнале с выхода блока управления 9 электрогидравлический регулятор 8 удерживает люльку гидронасоса 1 в нулевом положении и его подача равна нулю, штоки гидроцилиндров 5 и 6 неподвижны. После увеличения управляющего сигнала с блока управления 9 люлька гидронасоса отклоняется и подача гидронасоса 1 увеличивается. Рабочая жидкость, например, по трубопроводу 3 поступает, например, в штоковую полость гидроцилиндра 5 и перемещает его поршень вниз и вытесняет рабочую жидкость из поршневой полости гидроцилиндра 5, которая по трубопроводу 7 поступает в поршневую полость гидроцилиндра 6. При этом поршень гидроцилиндра 6 перемещается вверх, вытесняя рабочую жидкость, которая по трубопроводу 4 поступает в гидронасос 1.

При достижении поршнями гидроцилиндров 5 и 6 заданных блоком управления 9 крайних положений управляющий сигнал уменьшается до нуля, при этом электрогидравлический регулятор 8 возвращает люльку гидронасоса 1 в нулевое положение, подача гидронасоса 1 уменьшается до нуля и движение поршней гидроцилиндров 5 и 6 прекращается. После этого блок управления 9 изменяет управляющий сигнал на противоположный, электрогидравлический регулятор 8 отклоняет люльку гидронасоса 1 в противоположную сторону и изменяет направление подачи рабочей жидкости, трубопровод 4 становится напорным и поршень гидроцилиндра 6 начинает перемещаться вниз, а поршень гидроцилиндра 5 вверх.

Вспомогательный насос 10 служит для компенсации утечек рабочей жидкости из трубопроводов 3 и 4 во время работы. Он подает рабочую жидкость из гидробака 11 к входам предохранительного клапана 12 и подпиточных клапанов 13 и 14. Если давление в трубопроводах 3 или 4 выше, чем настройка предохранительного клапана 12, то рабочая жидкость сливается обратно в гидробак 11. Если давление в трубопроводах 3 или 4 ниже, чем настройка предохранительного клапана 12, то рабочая жидкость через подпиточные клапаны 13 или 14 поступает соответственно в трубопроводы 3 или 4 и компенсирует утечки во время работы.

Таким образом, групповой электрогидравлический привод СШ насосов дает возможность плавно регулировать амплитуду, частоту и закон перемещения поршней гидроцилиндров и, следовательно, производительность СШ насосов.

Изменение направления и скорости перемещения поршней гидроцилиндров при помощи гидронасоса переменной производительности не вызывает дросселирования рабочей жидкости в заявляемом приводе, что соответствует более высокому КПД группового электрогидравлического привода СШ насосов по первому варианту.

При этом в заявляемом по первому варианту групповом электрогидравлическом приводе СШ насосов используется реверсивный гидронасос переменной производительности.

Групповой электрогидравлический привод СШ насосов по второму варианту работает следующим образом.

При нулевом управляющем сигнале с выхода блока управления 9 электрогидравлический регулятор 8 удерживает люльку гидронасоса 1 в нулевом положении и его подача равна нулю, штоки гидроцилиндров 5 и 6 неподвижны. После увеличения управляющего сигнала с блока управления люлька насоса отклоняется и подача гидронасоса 1 увеличивается. Рабочая жидкость через управляемый релейный гидрораспределитель 15, например, по трубопроводу 4 поступает в штоковую полость гидроцилиндра 5 и перемещает его поршень вниз и вытесняет рабочую жидкость из поршневой полости гидроцилиндра 5, которая по трубопроводу 7 поступает в поршневую полость гидроцилиндра 6. При этом поршень гидроцилиндра 6 перемещается вверх, вытесняя рабочую жидкость, которая по трубопроводу 3 через управляемый релейный гидрораспределитель 15 поступает на вход гидронасоса 1, либо при избытке рабочей жидкости через клапан 14 сливается в гидробак 11.

При достижении поршнями гидроцилиндров 5 и 6 заданных блоком управления 9 крайних положений управляющий сигнал уменьшается до нуля, при этом электрогидравлический регулятор 8 возвращает люльку гидронасоса 1 в нулевое положение, подача гидронасоса 1 уменьшается до нуля и движение поршней гидроцилиндров 5 и 6 прекращается. После этого блок управления 9 переключает управляемый релейный гидрораспределитель 15 в другое положение, тем самым изменяется направление подачи рабочей жидкости, далее электрогидравлический регулятор 8 отклоняет люльку насоса 1, трубопровод 3 становится напорным и поршень гидроцилиндра 6 начинается перемещаться вниз, а поршень гидроцилиндра 5 вверх.

Таким образом, групповой электрогидравлический привод СШ насосов по второму варианту позволяет изменять направление потока рабочей жидкости с помощью управляемого релейного гидрораспределителя 15 и изменять скорость перемещения поршней гидроцилиндров и, следовательно, величину подачи рабочей жидкости гидронасосом 1 по необходимому для каждой конкретной скважины алгоритму работы (закону перемещения поршней гидроцилиндров) без остановки группового электрогидравлического привода, что дает возможность плавно регулировать амплитуду, частоту и закон перемещения поршней гидроцилиндров, а следовательно, и производительность СШ насосов.

Регулирование скорости перемещения поршней гидроцилиндров при помощи гидронасоса переменной производительности и изменение направления потока рабочей жидкости с помощью управляемого релейного гидрораспределителя не вызывает дросселирования рабочей жидкости в приводе, т.к. потери в нем за счет дросселирования рабочей жидкости будут отсутствовать ввиду того, что изменение направления потока рабочей жидкости релейным гидрораспределителем осуществляется с наименьшим гидравлическим сопротивлением, что соответствует более высокому КПД заявляемого группового электрогидравлического привода СШ насосов.

При этом в заявляемом по второму варианту в групповом электрогидравлическом приводе СШ насосов используется нереверсивный гидронасос переменной производительности.

Пример реализации функциональной схемы блока управления 9 приведен на фиг.3.

Он состоит из генераторов сигналов специальной формы 1 и 2 (например, синусоидальной и треугольной), переключателя режима работы 3, функционального преобразователя типа насыщения 4 и усилителя мощности.

Сигналы с выхода генераторов 1 или 2 при помощи переключателя 3 подключаются к входу функционального преобразователя 4, при помощи которого регулируется длительность выдержки поршней гидроцилиндров в крайних положениях. С выхода функционального преобразователя 4 сигнал поступает на вход усилителя мощности 5, а с его выхода - на вход электрогидравлического регулятора насоса.

Реализация генераторов синусоидальной и треугольной формы, функционального преобразователя типа насыщения и усилителя мощности приведены в [4] и [5].

Формирование закона перемещения поршней гидроцилиндров любой требуемой формы возможно также можно реализовать с применением микропроцессора.

Созданный опытный образец группового электрогидравлического привода СШ насосов прошел испытания на одном из НГДУ (нефтегазодобывающем управлении), результаты испытаний положительные.

Источники информации
1. Вирновский А.С. Теория и практика глубинно-насосной добычи нефти. М.: Недра, 1971, с. 144-150.

2. Молчанов А. Г. Объемный гидропривод нефтепромысловых машин и механизмов. М.: Недра, 1989, с. 143.

3. Башта Т.М. Машиностроительная гидравлика, справочное пособие. М.: Машиностроение, 1971.

4. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника. М.: Высшая школа, 1991, с. 444-459, 585-608.

5. П. Хоровиц, У. Хилл. Искусство схемотехники. М.: Мир, 1998, с. 236, 269-274, 300-323.

Изобретение предназначено для использования в технике добычи нефти, в частности в групповых приводах скважинных штанговых насосов (СШ насосов). Групповой электрогидравлический привод скважинных штанговых насосов содержит приводной двигатель, связанный с гидронасосом, гидроцилиндры, одноименные полости которых соединены между собой трубопроводом, и блок управления. В него дополнительно введен реверсивный гидронасос переменной производительности с электрогидравлическим регулятором. Управляющий вход гидронасоса соединен с выходом блока управления. Выходы гидронасоса трубопроводами соединены с другими одноименными полостями гидроцилиндров. Кроме того, групповой электрогидравлический привод скважинных штанговых насосов содержит приводной двигатель, связанный с гидронасосом, гидроцилиндры, одноименные полости которых соединены между собой трубопроводом, гидрораспределитель и блок управления. В него дополнительно введен гидронасос переменной производительности с электрогидравлическим регулятором. Управляющий вход гидронасоса соединен с первым выходом блока управления. Вход и выход гидронасоса трубопроводами соединены через гидрораспределитель с другими одноименными полостями гидроцилиндров. Блок управления снабжен вторым выходом, соединенным с управляющим входом гидрораспределителя. Обеспечивается возможность реализации в приводе любого закона перемещения поршней гидроцилиндров и повышение КПД. 2 с.п. ф-лы, 3 ил.

1. Групповой электрогидравлический привод скваженных штанговых насосов, содержащий приводной двигатель, связанный с гидронасосом, гидроцилиндры, одноименные полости которых соединены между собой трубопроводом, и блок управления, отличающийся тем, что в него дополнительно введен реверсивный гидронасос переменной производительности с электрогидравлическим регулятором, управляющий вход гидронасоса соединен с выходом блока управления, при этом выходы гидронасоса трубопроводами соединены с другими одноименными полостями гидроцилиндров. 2. Групповой электрогидравлический привод скваженных штанговых насосов, содержащий приводной двигатель, связанный с гидронасосом, гидроцилиндры, одноименные полости которых соединены между собой трубопроводом, гидрораспределитель, и блок управления, отличающийся тем, что в него дополнительно введены гидронасос переменной производительности с электрогидравлическим регулятором, управляющий вход гидронасоса соединен с первым выходом блока управления, при этом вход и выход гидронасоса трубопроводами соединены через гидрораспределитель с другими одноименными полостями гидроцилиндров, причем блок управления снабжен вторым выходом, соединенным с управляющим входом гидрораспределителя.