ПРИВОД СКВАЖИННОГО ШТАНГОВОГО НАСОСА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2003 года по МПК F04B47/02 

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности, в частности техническим средствам для подъема жидкости из скважин, и может быть использовано в нефтедобывающей промышленности для добычи нефти скважинными штанговыми насосами.

Известен длинноходовой привод скважинного штангового насоса, содержащий установленные на основании на единой раме двигатель, механизм, преобразующий вращательное движение в возвратно-поступательное, включающий ведущий и ведомые шкивы, охваченные непрерывным гибким звеном, связанным с кареткой, соединенной с противовесом, установленным в направляющих и связанным через разомкнутое гибкое с узлом подвески штанг, причем оси преобразующего механизма, противовеса, разомкнутого гибкого звена находятся в одной вертикальной плоскости, а верхний (ведомый) шкив установлен на раме с возможностью ограниченного перемещения для регулирования натяжения непрерывного гибкого звена (пат. USA 4916959, В 66 В 5/27).

Недостатками привода являются: низкая надежность и долговечность работы из-за дополнительной нагрузки (изгибающего момента), действующей на непрерывное гибкое звено со стороны каретки в плоскости, перпендикулярной к плоскости, проходящей через ось непрерывного гибкого звена, а также высокая трудоемкость и сложность монтажа и обслуживания, поскольку для точной установки и центровки привода относительно оси скважины требуется применение дополнительных агрегатов (подъемного крана, трактора), а доступ к узлу регулирования натяжения непрерывного гибкого звена в процессе эксплуатации осложнен большой высотой места его расположения, особенно при большой длине хода привода.

Известен также "Привод скважинного штангового насоса" (см. пат. RU 2150607, МКИ F 04 В 47/02, опубл. БИ 16 от 10.06.2000), содержащий двигатель, механизм, преобразующий вращательное движение в возвратно-поступательное, включающее ведущий шкив и криволинейный направляющий элемент, охваченные непрерывным гибким звеном, связанным с кареткой, соединенной с противовесом, установленном в направляющих и связанных через разомкнутое гибкое звено с колонной штанг, с центром тяжести противовеса, расположенным в плоскости, проходящей через ось непрерывного гибкого звена, причем привод может иметь криволинейную поверхность направляющего элемента, взаимодействующую с непрерывным гибким звеном, выполненной с переменным радиусом кривизны.

Недостатками привода являются: низкая надежность и долговечность работы из-за больших циклических нагрузок, действующих на разомкнутое гибкое звено, сложность в обслуживании из-за необходимости точного расположения центра тяжести противовеса в плоскости, проходящей через ось непрерывного гибкого звена, что требует для изготовления противовеса применение высокоточного оборудования, а при установке противовеса - высококвалифицированных специалистов с дорогостоящим мерительным инструментом, а также для установки и регулировки требуется привлечение большого количества работников и дополнительного оборудования из-за малого количества степеней свобод и хода самой конструкции, что в совокупности приводит к дополнительным материальным затратам. Использование цельного противовеса требует индивидуального расчета и штучного производства для каждой скважины, на которой используется данный привод, что значительно увеличивает стоимость изготовления устройства.

Технической задачей предлагаемого изобретения является сокращение трудоемкости, упрощение и удешевление изготовления и обслуживания привода скважинного штангового насоса, а также повышение надежности и долговечности его работы.

Поставленная техническая задача решается описываемым приводом скважинного штангового насоса, содержащий установленную на основании раму и размещенные на ней двигатель, механизм, преобразующий вращательное движение в возвратно-поступательное, включающий ведущий шкив и криволинейный направляющий элемент с постоянным радиусом кривизны, охваченные непрерывным гибким звеном, связанным с кареткой, соединенной с противовесом, который установлен в направляющих и связан через гибкое звено с колонной штанг.

Новым является то, что противовес выполнен сборным, причем основной противовес нормализует работу привода насоса, снабженного штангами минимального сечения и спущенного на минимальную глубину скважины, а дополнительные противовесы выполнены с возможностью размещения их массы симметрично относительно оси симметрии плоскости непрерывного гибкого звена на основном противовесе, при этом суммарный центр тяжести расположен в непосредственной близости от этой плоскости. Гибкое звено, связывающее противовес с колонной штанг, размещено с образованием четного числа параллельных ветвей, причем узлы соединения ветвей гибкого звена с противовесом размещены попарно симметрично относительно оси симметрии гибкого звена за пределами его контура, при этом узлы соединения гибкого звена с противовесом и узлом подвески штанг выполнены с обеспечением одинакового натяжения всех ветвей гибкого звена. Рама с колесами и дополнительным приводом установлена на основании, имеющим направляющие и упоры, с возможностью принудительного ограниченного упорами перемещения в горизонтальной плоскости и по конусному углу относительно вертикальной оси. Рама выполнена с возможностью фиксации относительно основания в любых положениях, при этом колеса установлены с возможностью взаимодействия с направляющими.

Новым также является то, что рама привода выполнена сборной, при этом основная рама с колесами и дополнительным приводом установлена на основании, имеющим направляющие и упоры, с возможностью принудительного ограниченного упорами перемещения в горизонтальной плоскости и по конусному углу относительно вертикальной оси. Основная рама выполнена с возможностью фиксации относительно основания в любых положениях, при этом колеса установлены с возможностью взаимодействия с направляющими. Дополнительная рама соединена с основной рамой привода с возможностью перемещения в направлении оси симметрии контура непрерывного гибкого звена, проходящей через ведущий и криволинейный направляющий элемент преобразующего механизма. Соединение выполнено с возможностью фиксации дополнительной рамы относительно основной в любом положении.

Новым также является то, что гибкое звено для обоих вариантов, связывающее противовес с колонной штанг, может быть выполнено замкнутым.

Анализ известных аналогичных решений позволяет сделать вывод об отсутствии в них признаков, сходных с отличительными признаками в заявляемом устройстве, т. е. о соответствии заявляемого решения критериям "новизна" и "изобретательский уровень".

На фиг.1 изображен общий вид устройства с частичными разрезами.

На фиг.2 - разрез по А-А на фиг.1.

На фиг.3 - сечение в плоскости В-В на фиг.1.

На фиг.4 - вариант исполнения привода со сборной рамой.

На фиг.5 - кинематическая схема попарно симметричного соединения противовеса с узлом подвески штанг.

На фиг.6 - кинематическая схема попарно симметричного соединения противовеса с узлом подвески штанг с замкнутым гибким звеном.

Привод скважинного штангового насоса (см. фиг.1), содержащий установленную на основании 1 раму 2 и размещенные на ней двигатель 3, механизм, преобразующий вращательное движение в возвратно-поступательное, включающий ведущий шкив 4 и криволинейный направляющий элемент с постоянным радиусом кривизны, то есть ведомый шкив 5, охваченные непрерывным гибким звеном 6, связанным с кареткой 7, соединенной с противовесом 8, который установлен в направляющих 9 и связан через гибкое звено 10 с колонной штанг 11. Противовес 8 выполнен сборным, причем основной противовес 12 нормализует работу привода насоса, снабженного штангами 11 минимального сечения и спущенного на минимальную глубину скважины, а дополнительные противовесы 13 выполнены с возможностью размещения их массы симметрично относительно оси симметрии плоскости непрерывного гибкого звена 6 на основном противовесе 8, при этом суммарный центр тяжести 14 расположен в непосредственной близости от этой плоскости. Гибкое звено 10, связывающее противовес 8 с колонной штанг 11, размещено с образованием четного числа параллельных ветвей 15 (см. фиг.5 и 6), причем узлы 16 соединения ветвей гибкого звена 10 (см. фиг.1) с противовесом размещены попарно симметрично относительно оси симметрии гибкого звена 10 за пределами его контура. Узлы 16 (см. фиг.5 и 6) соединения гибкого звена 10 (см. фиг.1) с противовесом 8 и узлом подвески штанг 17 выполнены с обеспечением одинакового натяжения всех ветвей 15 гибкого звена 10. Рама 2 с колесами 18 и дополнительным приводом 19 (см. фиг.2) установлена на основании 1, имеющим направляющие 20 и упоры 21 (см. фиг.1), с возможностью принудительного ограниченного упорами 21 перемещения в горизонтальной плоскости и по конусному углу относительно вертикальной оси, также рама 2 выполнена с возможностью фиксации относительно основания 1 в любых положениях. Колеса 18 установлены с возможностью взаимодействия с направляющими 20. Привод также снабжен натяжным механизмом 22.

Привод скважинного штангового насоса по второму варианту в отличие от первого имеет сборную раму (см. фиг.4), которая позволяет натяжение непрерывного гибкого звена 6 снизу, что особенно актуально при использовании привода с рабочим ходом более 3 метров. Основная рама 23 с колесами 18 и дополнительным приводом 19 (см. фиг.2) установлена на основании 1, имеющим направляющие 20 и упоры 21 (см. фиг.4), с возможностью принудительного ограниченного упорами 21 перемещения в горизонтальной плоскости и по конусному углу относительно вертикальной оси. Основная рама 23 (см. фиг.4) выполнена с возможностью фиксации относительно основания 1 в любых положениях, при этом колеса 18 установлены с возможностью взаимодействия с направляющими 20. Дополнительная рама 24 соединена с основной рамой 23 привода с возможностью перемещения при помощи соединения винт - гайка 25 в направлении оси симметрии контура непрерывного гибкого звена 6, проходящей через ведущий 4 и ведомый шкивы 5 преобразующего механизма, причем соединение 25 выполнено с возможностью фиксации дополнительной рамы 24 относительно основной 23 в любом положении.

В первом (см. фиг.1) и втором (см. фиг.4) варианте гибкое звено 10, связывающее противовес 8 с колонной штанг 11, может быть выполнено замкнутым (см. фиг.6), что дает возможность периодически выводить наиболее нагруженные места гибкого звена 10 (см. фиг.1 и 4) из зон повышенного напряжения, то есть узлов 16 (см. фиг.6), благодаря чему срок службы гибкого звена 10 (см. фиг.1 и 4) увеличивается.

Устройство работает следующим образом:
Предварительно подготавливают площадку перед скважинной (на фиг. не показано) для установки привода скважинного штангового насоса, то есть выравнивают и приближают к горизонтальной плоскости. Затем привод скважинного штангового насоса в сборе (см. фиг.1 и фиг.4) доставляют к скважине и устанавливают таким образом, чтобы ось основания 26 (см. фиг.2) приблизительно совпадала с осью скважины (на фиг. не показано). После чего при помощи болтов 27 (см. фиг.3) колеса взаимодействуют с направляющими 20, позволяя перемещать всю конструкцию в горизонтальной плоскости при помощи привода 19 между упорами 21 до совпадения оси колонны штанг 11 с осью скважины (на фиг. не показано) в районе устья. Затем раму 2 (см. фиг.1) и основную раму 23 (см. фиг.4) фиксируют болтами 28 (см. фиг.2). Далее, приподымая или опуская при помощи болтов 27 (см. фиг.2) оси колес 18, производят регулировку по конусному углу относительно вертикальной оси, добиваясь практически полного совмещения оси колонны штанг 11 (см. фиг.1 и 4) с осью скважины. Все это позволяет свести к минимуму потери энергии, затрачиваемые на преодоление дополнительных изгибающих моментов, действующих на колонну штанг 11, и сил трения, возникающих при этом. После регулировки колеса 18 (см. фиг.3) фиксируются при помощи гаек 29. Противовес 8 (см. фиг.1) состоит из основного противовеса 12, который нормализует работу привода насоса, снабженного штангами 11 минимального сечения и спущенного на минимальную глубину скважины.

При этом вес основного противовеса может быть высчитан по формуле (I)

где F_шт ^min - площадь поперечного сечения штанг наименьшего типоразмера, обеспечивающих безобрывную работу колонны штанг при спуске насоса наименьшего типоразмера, на минимальную глубину в скважину, м²;
γ_шт - удельный вес материала штанг, Н/м³;
γ_ж - удельный вес жидкости в скважине, Н/м³;
L_нас ^min - минимальная глубина спуска насоса в скважину, м;
[σ_шт] - величина допускаемого приведенного напряжения для материала штанг, МПа;
Р_кар - вес каретки, Н.

Дополнительные противовесы 13 установлены на основной противовес 12 и выполнены с возможностью размещения их массы симметрично относительно оси симметрии плоскости непрерывного гибкого звена 6. Вес дополнительных противовесов 13 определяются по формуле (2)
Р_доп=0,5•(Р_вв+Р_вн)-(Р_пр+Р_кар) (2),
где Р_вв и Р_вн - величины нагрузки в месте соединения колонны штанг с узлом подвески наземного привода при ходе соответственно вверх и вниз, Н;
Р_пр и Р_кар - вес соответственно противовеса и каретки, Н.

Суммарный центр 14 тяжести противовеса 8 при этом расположен в непосредственной близости от оси симметрии плоскости непрерывного гибкого звена 6, причем разброс относительно данной оси 20 см в ту или другую сторону на работоспособности конструкции практически не отражается.

После завершения установки и регулировки запускается двигатель 3, передающий вращательное движение ведущему 4 и через непрерывное гибкое звено 6 ведомому 5 шкивам. К непрерывному гибкому звену 6 присоединена каретка 7, передающая свое возвратно-поступательное движение противовесу 8, установленному в направляющие 9, который через гибкое звено 10 и узел подвески штанг 17 связан с колонной штанг 11. В результате вращательное движение ведущего шкива 4 преобразуется в возвратно-поступательное движение колонны штанг 11.

Привод скважинного штангового насоса данной конструкции за счет использования сборного противовеса позволяет унифицировать его изготовление для различных скважин, регулируя суммарный вес только дополнительными противовесами, которые значительно проще в изготовлении цельного и также могут быть унифицированы. Применение четного числа параллельных ветвей разомкнутого гибкого звена снижает величину нагрузки на него, что позволяет значительно увеличить межремонтный период. Наличие большего количества степеней свобод позволяет более точно совместить без помощи дополнительных устройств и механизмов ось колонны штанг с осью скважины, что приводит к снижению энергетических затрат на трение и преодоление изгибающих моментов, возникающее от перекосов штанг, что приводит меньшему износу штанг и к экономии электроэнергии, затрачиваемой на работу привода. Все это в совокупности позволяет значительно снизить материальные затраты на изготовление, эксплуатацию и обслуживание предлагаемого привода.

Изобретение предназначено для использования в нефтегазодобывающей промышленности для добычи нефти скважинными штанговыми насосами. Привод содержит раму и размещенный на ней двигатель. Механизм преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное включает ведущий шкив и криволинейный направляющий элемент с постоянным радиусом кривизны. Противовес выполнен сборным. Состоит из основного, нормализующего работу привода насоса и дополнительных противовесов. Дополнительные противовесы выполнены с возможностью размещения их массы симметрично относительно оси симметрии плоскости гибкого непрерывного звена на основном противовесе. Суммарный центр тяжести расположен в непосредственной близости от этой плоскости. Гибкое звено, связывающее противовес с колонной штанг, размещено с образованием четного числа параллельных ветвей. Узлы соединения ветвей гибкого звена с противовесом размещены попарно симметрично относительно оси симметрии гибкого звена за пределами его контура. Узлы соединения гибкого звена с противовесом и узлом подвески штанг выполнены с обеспечением одинакового натяжения всех ветвей гибкого звена. Рама снабжена колесами и дополнительным приводом и выполнена с возможностью фиксации относительно основания в любых положениях. Колеса установлены с возможностью взаимодействия с направляющими. Рама может быть выполнена сборной. Она состоит из основной рамы, снабженной колесами и дополнительным приводом, установленной на основании, имеющем направляющие и упоры, с возможностью принудительного, ограниченного упорами перемещения в горизонтальной плоскости и по конусному углу относительно вертикальной оси. Колеса установлены с возможностью взаимодействия с направляющими. Дополнительная рама соединена с основной с возможностью перемещения в направлении оси симметрии контура гибкого непрерывного звена, проходящей через ведущий и криволинейный направляющий элемент преобразующего механизма. Соединение выполнено с возможностью фиксации дополнительной рамы относительно основной в любом положении. Сокращается трудоемкость, упрощается и удешевляется изготовление и обслуживание. 2 с. и 2 з.п.ф-лы, 6 ил.

1. Привод скважинного штангового насоса, содержащий установленную на основании раму и размещенные на ней двигатель, механизм преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное, включающий ведущий шкив и криволинейный направляющий элемент с постоянным радиусом кривизны, охваченные гибким непрерывным звеном, связанным с кареткой, соединенной с противовесом, установленным в направляющих и связанным через гибкое звено с колонной штанг, отличающийся тем, что противовес выполнен сборным, состоящим из основного противовеса, нормализующего работу привода насоса, снабженного штангами минимального сечения и спущенного на минимальную глубину скважины, и дополнительных противовесов, выполненных с возможностью размещения их массы симметрично относительно оси симметрии плоскости гибкого непрерывного звена на основном противовесе, при этом суммарный центр тяжести расположен в непосредственной близости от этой плоскости, а гибкое звено, связывающее противовес с колонной штанг, размещено с образованием четного числа параллельных ветвей, узлы соединения ветвей гибкого звена с противовесом размещены попарно симметрично относительно оси симметрии гибкого звена за пределами его контура, при этом узлы соединения гибкого звена с противовесом и узлом подвески штанг выполнены с обеспечением одинакового натяжения всех ветвей гибкого звена, а рама снабжена колесами и дополнительным приводом и выполнена с возможностью фиксации относительно основания в любых положениях, а колеса установлены с возможностью взаимодействия с направляющими. 2. Привод по п. 1, отличающийся тем, что гибкое звено, связывающее противовес с колонной штанг, выполнено замкнутым. 3. Привод скважинного штангового насоса, содержащий установленную на основании раму и размещенные на ней двигатель, механизм преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное, включающий ведущий шкив и криволинейный направляющий элемент с постоянным радиусом кривизны, охваченные гибким непрерывным звеном, связанным с кареткой, соединенной с противовесом, установленным в направляющих и связанным через гибкое звено с колонной штанг, отличающийся тем, что противовес выполнен сборным, состоящим из основного противовеса, нормализующего работу привода насоса, снабженного штангами минимального сечения и спущенного на минимальную глубину скважины, и дополнительных противовесов, выполненных с возможностью размещения их массы симметрично относительно оси симметрии плоскости гибкого непрерывного звена на основном противовесе, при этом суммарный центр тяжести расположен в непосредственной близости от этой плоскости, а гибкое звено, связывающее противовес с колонной штанг, размещено с образованием четного числа параллельных ветвей, узлы соединения ветвей гибкого звена с противовесом размещены попарно симметрично относительно оси симметрии гибкого звена за пределами его контура, при этом узлы соединения гибкого звена с противовесом и узлом подвески штанг выполнены с обеспечением одинакового натяжения всех ветвей гибкого звена, причем рама выполнена сборной и состоит из основной рамы, снабженной колесами и дополнительным приводом, установленной на основании, имеющем направляющие и упоры, с возможностью принудительного, ограниченного упорами перемещения в горизонтальной плоскости и по конусному углу относительно вертикальной оси и выполненной с возможностью фиксации относительно основания в любых положениях, при этом колеса установлены с возможностью взаимодействия с направляющими, и дополнительной рамы, соединенной с основной рамой с возможностью перемещения в направлении оси симметрии контура гибкого непрерывного звена, проходящей через ведущий и криволинейный направляющий элемент преобразующего механизма, причем соединение выполнено с возможностью фиксации дополнительной рамы относительно основной в любом положении. 4. Привод по п. 3, отличающийся тем, что гибкое звено, связывающее противовес с колонной штанг, выполнено замкнутым.