ПРИВОД СКВАЖИННОГО НАСОСА Российский патент 2003 года по МПК F04B47/02 

Изобретение относится к технике добычи нефти, в частности к приводу скважинного штангового насоса, и может быть использовано в нефтедобывающей промышленности при эксплуатации скважин.

Известна конструкция привода штангового насоса, содержащего асинхронный двигатель, связанный с подвеской насосных штанг через редуктор и кулисный механизм [1].

Недостатком известных устройств является их большая металлоемкость и сложность конструкции.

Наиболее близким к описываемому изобретению является привод скважинного штангового насоса, содержащий стойку с установленными на ней на одном валу шкивами и двумя асинхронными двигателями, статорные обмотки которых соединены между собой пофазно-последовательно. В канавках шкивов уложены гибкие связи, перекинутые через блоки, установленные на траверсах, причем часть гибких связей одним концом соединена с подвеской колонны насосных труб, а другая часть - с подвеской колонны насосных штанг. Вторые концы гибких связей подвесок колонн насосных труб и штанг прикреплены к шкивам с образованием полиспастов с противоположным креплением и укладкой гибких связей подвесок колонн насосных труб и штанг [2].

Недостатком известного устройства является возможность появления недопустимых динамических усилий в канате (гибкой связи). При полном сходе каната с одной пары шкивов мгновенной остановки вала привода не происходит. Он еще некоторое время вращается и под действием момента одного из двигателей, и под действием инерционных сил. При этом точка крепления сошедшего со шкива конца каната изменит свое положение относительно вертикальной оси, и канат начнет снова укладываться на шкив. Подвеска колонны штанг (или труб) за время изменения направления навивки одного или другого концов каната не может полностью остановиться. Поэтому изменение направления навивки каната на шкивы сопровождается значительными динамическими усилиями в канате вследствие разно направленности векторов линейных скоростей каната и подвески. Динамические усилия в канате будут отсутствовать только при одновременной остановке вала привода и колонн насосных штанг и труб. Кроме того, применение в известном устройстве шкивов с укладкой гибкой связи виток на виток ограничивает использование в качестве гибкой связи широко распространенных канатов круглого сечения, которые в этом случае будут более интенсивно изнашиваться.

Цель изобретения - повышение надежности работы привода штангового насоса за счет снижения динамических усилий в канате и создания более благоприятных условий для работы каната.

Поставленная цель достигается тем, что в приводе скважинного насоса, содержащем опорную вышку, колонну насосных штанг, канатный барабан, канат, полиспаст, два асинхронных двигателя, связанных между собою электрически последовательным соединением статорных обмоток и механически общим валом канатного барабана - канатный барабан выполнен бицилиндроконическим симметричным с канавками для укладки каната по обе стороны относительно оси симметрии, канат одним концом присоединен к правому торцу канатного барабана и частично уложен на барабан, пропущен через блоки полиспастной системы и снова уложен на барабан слева от оси симметрии с тем же направлением навивки, что и справа, и присоединен вторым концом к левому торцу барабана, при этом радиусы навивки каната, а также расстояния от точек крепления каната к барабану до точек схода каната с барабана справа и слева, соответственно одинаковые.

На чертеже изображен привод скважинного насоса, общий вид.

Привод скважинного насоса содержит опорную вышку 1, раму привода 2, асинхронный двигатель 3, вал 4, барабан 5, асинхронный двигатель 6, шкивы 7, неподвижную ось 8, шкивы 9-10, подвижную ось 11, канат 12, подвеску насосных штанг 13, наголовник обсадных труб 14, упругие элементы 15, 16, 17.

К верхней части вышки 1 прикреплена рама привода 2, на которой установлены одинаковые асинхронные двигатели 3 и 6, связанные между собою и с барабаном 5 валом 4. Статорные обмотки двигателей 3 и 6 соединены между собою пофазно последовательно в звезду или треугольник. Барабан 5 выполнен бицилиндроконическим симметричным. Его ось симметрии совпадает с осью скважины. По обе стороны от оси симметрии на барабане имеются участки с цилиндрическими и конусными поверхностями, на которых выполнена канавка для укладки каната. Начало каната 12 присоединено к левому торцу барабана 5, мерная длина его уложена в канавку цилиндрической части. Далее канат проходит через шкивы 7, установленные на жестко закрепленной неподвижной оси 8, и шкивы 9-10, установленные на подвижной относительно вышки 1 оси 11, жестко соединенной с подвеской насосных штанг 13. Вторая мерная длина каната, равная первой, уложена в продолжение канавки барабана 5 с правой стороны от его оси симметрии. Конец каната 12 прикреплен к правому торцу барабана 5. Перемещение подвески насосных штанг 13 ограничено внизу упругим элементом 15, вверху упругими элементами 16 и 17.

За исходное принимается крайнее нижнее положение подвески насосных штанг 13. При этом упругий элемент 15 сжат между осью 11 и наголовником 14. Упругие элементы 16-17 свободны. На барабане 5 слева и справа на цилиндрических поверхностях уложена равными частями общая длина каната, достаточная для обеспечения подъема подвески насосных штанг на заданную высоту.

Напряжение сети (равное номинальному напряжению двигателей 3, 6) известным способом подается на вход каскада двигателей (например на вход двигателя 3). Это напряжение делится между обоими двигателями поровну, т.е. на каждом из двигателей будет 0,5 номинального напряжения и 0,25 номинального пускового момента. Потребляемый из сети пусковой ток снижен в 2 раза. Двигатели соединены по фазам, но относительно барабана их моменты направлены встречно, так как двигатели установлены с противоположных сторон барабана 5. Поэтому система остается неподвижной. В связи с этим кратковременно шунтируется двигатель 6. Тогда на двигателе 3 напряжение возрастает до номинального, и он запускается в работу, вращая вал 4, например, по часовой стрелке. После запуска двигателя 3 двигатель 6 расшунтируется. При этом снова происходит перераспределение напряжения сети между двигателями обратно пропорционально их скольжению. Двигатель 6 вращается встречно полю, его скольжение больше 1, полное сопротивление минимально. Следовательно, напряжение на двигателе 6 не превышает значений в опыте короткого замыкания (10-15% от номинального напряжения). Момент двигателя 6 является величиной второго порядка малости и никакого влияния на работу привода не оказывает.

После начала работы двигателя 3 канат 12 сходит с одной части барабана 5, например левой, и укладывается в канавки другой части барабана 5, например, правой. До тех пор пока перераспределение каната 12 происходит между цилиндрическими участками барабана 5, имеющими равные диаметры, подвеска насосных штанг остается неподвижной. После того как в правой стороне барабана 5 канат начнет укладываться на конусную поверхность, изменится соотношение между длиной каната сходящего с цилиндрической левой части и укладываемого на конусную правую, так как справа радиус навивки каната на барабане возрастает с каждым оборотом. Следовательно, длина петли каната 12, проходящая через шкивы 7, 9, 10, должна уменьшиться. При этом к барабану прикладываются два момента от силы тяжести со стороны подвески насосных штанг 13. С левой стороны момент, направленный по направлению движения барабана 5, а с правой встречно. Подвеска насосных штанг 13 начинает перемещаться вверх. С каждым оборотом барабана 5 возрастает момент сопротивления на двигателе 3 по причине увеличения радиуса навивки каната на конусную поверхность. В случае необходимости барабан 5 может иметь два конусных и два цилиндрических участка симметрично с каждой стороны. В этом случае после схода каната с цилиндрического участка его сход начнется с конического участка, что вызовет более интенсивное нарастание момента сопротивления из-за уменьшения момента от силы тяжести, приложенной к левой части барабана 5. Увеличение тока нагрузки вызовет увеличение напряжения на двигателе 6 и уменьшение его на двигателе 3, что уменьшит движущий момент. В результате барабан 5 остановится. Если момента сопротивления от силы тяжести окажется недостаточно для остановки системы, то произойдет касание подвижной оси 11 с упругими элементами 16, 17 и их сжатие, после чего система остановится.

Напряжение на двигателях 3, 6 и их электромагнитные моменты становятся равными, но разнонаправленными. Двигатели на состояние системы влияния не оказывают. Однако теперь к барабану 5 приложены два момента от силы тяжести подвески насосных штанг 13. К левой части приложен меньший по величине момент, действующий в направлении вращения поля двигателя 3. К правой части приложен больший момент, действующий в направлении вращения магнитного поля двигателя 6. Под действием разностного момента от силы тяжести и сжатия упругих элементов 16, 17 (если они сжаты) барабан 5 начинает вращаться в обратном направлении. Скольжение двигателя 6 изменяется от единицы к нулю, а скольжение двигателя 3 становится больше единицы. Напряжение на двигателе 6 увеличивается практически до номинала, а напряжение на двигателе 3 уменьшается до своего наименьшего значения. Двигатель 6 становится рабочим, а двигатель 3 пассивным.

Канат 12 укладывается в канавку цилиндрической поверхности левой части барабана 5 и сходит с конической поверхности правой его части. Из-за меньшего радиуса навивки на левой части по сравнению с радиусами правой части длина каната, навиваемого на барабан, меньше длины сходящей с барабана. Следовательно, длина петли каната между барабаном 5 и подвижной осью 11 увеличивается. Подвеска насосных штанг 13 начинает плавное перемещение вниз. По мере схода каната с конической части барабана 5 уменьшается разности радиусов окружностей навитого каната слева и справа от его оси симметрии.

После полного схода каната 13 с правого конического участка длина каната свиваемого с барабана становится равной длине укладываемой на него. Подвеска насосных штанг 13 останавливается в крайнем нижнем положении. Для более плавной остановки между подвеской 13 и наголовником 14 зажимается упругий элемент 15. Момент на барабане 5 от силы тяжести исчезает. Барабан 5 продолжает вращаться в прежнем направлении и канат 12 начинает укладываться на коническую поверхность с левой стороны. Длина петли каната 12 снова начинает уменьшаться, что заставит систему, состоящую из блоков 9-10, оси 11, подвески насосных штанг 13 перемещаться вверх. Снова появляется момент от силы тяжести, приложенный к барабану 5, но уже с обратным знаком и с тенденцией к увеличению. Когда момент от силы тяжести подвески 13 и силы упругости элементов 16, 17 станет больше момента двигателя 6, система остановится. Цикл повторится.

Использование предлагаемого привода позволяет снизить металлоемкость и повысить надежность работы за счет снижения динамических нагрузок.

Источники информации
1 Авторское свидетельство СССР 641157, МПК F 04 В 47/02, 1977.

2. Авторское свидетельство СССР 1257284, МПК F 04 В 47/02, 1985.

Привод предназначен для использования в нефтедобывающей промышленности при эксплуатации скважин. Привод содержит опорную вышку, раму привода, асинхронный двигатель, вал, барабан, шкивы, неподвижную ось, шкивы, подвижную ось, канат, подвеску насосных штанг, наголовник обсадных труб и упругие элементы. К верхней части вышки прикреплена рама привода, на которой установлены одинаковые асинхронные двигатели, связанные между собою и с барабаном валом. Статорные обмотки двигателей соединены между собой пофазно-последовательно в звезду или треугольник. Барабан выполнен бицилиндроконическим симметричным. Его ось симметрии совпадает с осью скважины. По обе стороны от оси симметрии на барабане имеются участки с цилиндрическими и конусными поверхностями, на которых выполнена канавка для укладки каната. Начало каната присоединено к левому торцу барабана, мерная длина его уложена в канавку цилиндрической части. Далее канат проходит через шкивы, установленные на жестко закрепленной неподвижной оси, и шкивы, установленные на подвижной относительно вышки оси, жестко соединенной с подвеской насосных штанг. Вторая мерная длина каната, равная первой, уложена в продолжение канавки барабана с правой стороны от его оси симметрии. Конец каната прикреплен к правому торцу барабана. Перемещение подвески насосных штанг ограничено внизу одним упругим элементом, вверху двумя упругими элементами. Повышается надежность работы привода штангового насоса, за счет снижения динамических усилий в канате. 1 ил.

Привод скважинного насоса, содержащий опорную вышку, колонну насосных штанг, канатный барабан, канат, полиспаст, два асинхронных двигателя, связанных между собою электрически последовательным соединением статорных обмоток и механически общим валом канатного барабана, отличающийся тем, что канатный барабан выполнен бицилиндроконическим симметричным с канавками для укладки каната по обе стороны относительно оси симметрии, канат одним концом присоединен к правому торцу канатного барабана и частично уложен на барабан, пропущен через блоки полиспастной системы и снова уложен на барабан слева от оси симметрии с тем же направлением навивки, что и справа, и присоединен вторым концом к левому торцу барабана, при этом радиусы навивки каната, а также расстояния от точек крепления каната к барабану до точек схода каната с барабана справа и слева соответственно одинаковые.