ГИДРОПРИВОД ШТАНГОВОЙ СКВАЖИННОЙ НАСОСНОЙ УСТАНОВКИ Российский патент 2024 года по МПК E21B43/00 F04B47/04 

Изобретение относится к нефтедобывающей отрасли и может быть использовано при скважинной добыче нефти в качестве привода штанговой скважинной насосной установки (ШСНУ).

Известно устройство, представляющее собой гидравлический привод ШСНУ [Молчанов А.Г. Пути дальнейшего совершенствования штанговых скважинных насосных установок // Бурение и нефть 2001. №2. С. 3-8]. Устройство содержит: гидроцилиндр; приводной электродвигатель; обратимую объемную гидромашину - мотор-насос, с валом которого кинематически соединен маховик; гидробак; обратный клапан; предохранительный клапан; разгрузочный клапан с электромагнитным приводом; двухпозиционный золотниковый распределитель. Гидравлические элементы соединены между собой трубопроводами, по которым подается рабочая жидкость. В электрическую цепь приводного электродвигателя включено реле тока, управляющее электромагнитным приводом разгрузочного клапана. При запуске электродвигателя обратимая объемная гидромашина начинает работать в режиме насоса, при этом в начале работы устройства гидравлическая жидкость перекачивается через разгрузочный клапан для снижения нагрузок при запуске электродвигателя. После закрытия разгрузочного клапана рабочая жидкость нагнетается обратимой объемной гидромашиной в штоковую полость гидроцилиндра, таким образом осуществляет втягивание штока гидроцилиндра и подъем столба жидкости и колонны штанг.

При переключении двухпозиционного золотникового распределителя во второе положение колонна насосных штанг опускается вниз под собственным весом в насосно-компрессорном трубопроводе (НКТ), при этом происходит опускание (выдвижение) штока гидроцилиндра. Рабочая жидкость вытесняется из штоковой полости гидроцилиндра и поступает на вход обратимой объемной гидромашины, которая раскручивает маховик, работая в режиме гидромотора. Таким образом, потенциальная энергия колонны штанг преобразуется в кинетическую энергию вращающегося маховика, при этом электродвигатель также передает часть энергии для раскручивания маховика. При переключении двухпозиционного золотникового распределителя в прежнее положение запасенная энергия вращающегося маховика передается на вал обратимой объемной гидромашины, которая осуществляет нагнетание гидравлической жидкости в штоковую полость гидроцилиндра (работает в режиме насоса). Таким образом, обеспечивается уравновешивание гидравлического привода ШСНУ во время подъема и опускания штока гидроцилиндра, то есть уравновешивание нагрузок во время рабочего и холостого хода штока гидроцилиндра.

К недостаткам известного устройства относится следующее. Наличие знакопеременных нагрузок на валу обратимой объемной гидромашины существенно снижает наработку данного узла и приводит к его преждевременному отказу. Высокая масса и значительный момент инерции вращающегося маховика приводит к снижению наработки кинематически связанных с ним элементов привода. При длительных остановках привода энергия, запасенная вращающимся маховиком, рассеивается в элементах привода.

Наиболее близким по совокупности признаков к заявляемому изобретению является известный гидравлический привод ШСНУ, описанный в способе эксплуатации нефтяных наклонно-направленных скважин и скважин с боковыми стволами [патент РФ №2699504, опубл. 05.09.2019] и принятый в качестве прототипа. Известное устройство содержит электродвигатель, управляемый интеллектуальной системой управления (ИСУ) и передающий крутящий момент через муфту обратимой объемной гидромашине - мотор-насосу. Силовым выходным звеном привода является гидроцилиндр, шток которого соединен с колонной насосных штанг. Рабочая жидкость подается в штоковую полость гидроцилиндра обратимой объемной гидромашиной, работающей в режиме насоса, из гидробака через фильтр, обратный клапан и двухпозиционный гидрораспределитель. Гидравлические элементы соединены между собой трубопроводами, по которым подается рабочая жидкость. ИСУ привода содержит частотный преобразователь для управления электродвигателем при работе обратимой объемной гидромашины в режиме насоса, т.е. при нагнетании рабочей жидкости из гидробака в штоковую полость гидроцилиндра и подъеме штока. При опускании штока рабочая жидкость из штоковой полости гидроцилиндра подается на вход обратимой объемной гидромашины, раскручивая ротор последней. То есть обратимая объемная гидромашина работает в режиме гидромотора, а соединенный с ней электродвигатель функционирует в генераторном режиме. Генерируемая электроэнергия рекуперируется в электросеть нефтепромысла посредством инвертора, входящего в состав ИСУ привода.

Признаки прототипа, совпадающие с признаками заявляемого устройства - гидропривод штанговой скважинной насосной установки, содержащий объемную гидромашину роторного типа, силовой гидроцилиндр и гидробак, соединенные с помощью трубопроводов, подключенных к гидрораспределителю и сообщающихся с переливным и предохранительным клапанами, один из трубопроводов включает в себя фильтр и обратный клапан, при этом с валом объемной гидромашины роторного типа кинематически соединен электродвигатель, управляемый посредством интеллектуальной системы управления, включающей в себя частотный преобразователь и инвертор.

Недостатком известного устройства, принятого в качестве прототипа, является наличие знакопеременных нагрузок на валах обратимой объемной гидромашины (мотор-насоса) и электродвигателя, вызванных циклической сменой направления крутящего момента и возникающего противомомента, что приводит к интенсивному расходованию ресурса этих элементов и их малой наработке на отказ.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение надежности и времени наработки на отказ гидравлического привода ШСНУ.

Поставленная задача решается за счет того, что в устройстве, содержащем объемную гидромашину роторного типа, силовой гидроцилиндр и гидробак, соединенные с помощью трубопроводов, подключенных к гидрораспределителю и сообщающихся с переливным и предохранительным клапанами, один из трубопроводов включает в себя фильтр и обратный клапан, при этом с валом объемной гидромашины роторного типа кинематически соединен электродвигатель, управляемый посредством интеллектуальной системы управления, включающей в себя частотный преобразователь и инвертор, согласно изобретению электродвигатель выполнен с двусторонним выходом вала, с каждым из концов вала электродвигателя кинематически соединена объемная необратимая гидромашина роторного типа, при этом одна из указанных гидромашин - гидронасос, а гидромашина, соединенная с противоположным концом двустороннего вала электродвигателя - гидромотор.

Отличительными признаками заявляемого устройства от прототипа является выполнение электродвигателя с двусторонним выходом вала, с каждым из концов вала электродвигателя кинематически соединена объемная необратимая гидромашина роторного типа, при этом одна из указанных гидромашин - гидронасос, а гидромашина, соединенная с противоположным концом двустороннего вала электродвигателя - гидромотор.

Двусторонний выход вала позволяет кинематически соединить с электродвигателем две объемные гидромашины роторного типа, одна из которых работает в режиме гидронасоса, а другая функционирует как гидромотор. Указанное исключает возникновение знакопеременных нагрузок на валах объемных гидромашин, что положительно сказывается на величине их наработки.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором изображена принципиальная схема заявляемого гидравлического привода ШСНУ.

Сущность заявляемого изобретения заключается в следующем.

Гидравлический привод штанговой скважинной насосной установки состоит из электродвигателя 1 с двусторонним выходом вала, управляемого посредством интеллектуальной станции управления (ИСУ) 2, в состав которой входят частотный преобразователь и инвертор (на фиг. не отображено). Каждый конец вала электродвигателя 1 кинематически соединен с объемной необратимой гидромашиной роторного типа. Посредством муфты 3 и 4 с двусторонним валом электродвигателя 1 соединены гидронасос 5 и гидромотор 6 соответственно. Гидравлический привод штанговой скважинной насосной установки также содержит гидрораспределитель 7, положение которого определяет направление потока рабочей жидкости, перекачивамой из и (или) в гидробак 8 по трубопроводам 9, 10 и 11, при этом трубопровод 9 включает в себя фильтр 12 и обратный клапан 13. К гидрораспределителю 7 подключена штоковая полость силового гидроцилиндра 14, содержащего шток 15 соединенный с поршнем 16. На случай повышения значения давления в описанной гидравлической системе выше допустимого, в ней предусмотрены линии, к которым подключены трубопроводы 9 и 11 и которые включают переливной 17 и предохранительный 18 клапаны соответственно.

Заявляемое устройство функционирует следующим образом.

При запуске электродвигателя 1 с двусторонним выходом вала, управляемого посредством ИСУ 2, в состав которой входят частотный преобразователь и инвертор (на фиг. не отображено), ротор электродвигателя 1 создает крутящий момент, который передается от концов вала электродвигателя 1, кинематически соединенных через муфты 3 и 4 с валами объемных гидромашин, гидронасосу 5 и гидромотору 6 соответственно. Когда гидрораспределитель 7, находится в положении I, рабочая жидкость из гидробака 8 по трубопроводам 9 и 10-11 поступает одновременно в гидронасос 5 и в гидромотор 6, соответственно, при этом рабочая жидкость, перекачиваемая по трубопроводу 9, проходит через фильтр 12 и обратный клапан 13 перед входом в гидронасос 5. Рабочая жидкость от гидронасоса 5 поступает в штоковую полость силового гидроцилиндра 14, вследствие чего осуществляется втягивание штока 15, поскольку он соединен с поршнем 16, давление рабочей жидкости на поверхность которого преобразуется в подъемное усилие, за счет которого реализуется подъем колонны штанг и столба жидкости (на фиг. не отображено). Параллельно этому гидромотор 6 работает в режиме холостого хода, без нагрузки, а рабочая жидкость, проходя через гидромотор 6 попадает обратно в гидробак 8. При этом в случае повышения значения давления в гидравлической системе до значения выше допустимого рабочая жидкость будет сливаться в гидробак 8 через линии с переливным 17 и предохранительнм 18 клапанами, к которым подключены трубопроводы 9 и 11 соответственно.

При переключении гидрораспределителя 7, в положение II рабочая жидкость, перекачиваемая гидронасосом 5, направляется обратно в гидробак 8 по трубопроводу 10, то есть гидронасос 5 работает в режиме холостого хода. Параллельно этому рабочая жидкость вытесняется из штоковой полости гидроцилиндра 14 при выдвижении штока 15, вследствие вызванного усилием веса колонны штанг перемещения соединенного с ним поршня 16. В результате этого из штоковой полости гидроцилиндра 14 рабочая жидкость, двигающаяся в данном случае по трубопроводу 11, попадает в гидромотор 6, который преобразует гидравлическую энергию рабочей жидкости в крутящий момент, передающийся от вала гидромотора 6 через муфту 4 на вал электродвигателя 1, тем самым, обеспечивая вращение ротора электродвигателя 1 и генерацию электрической эенергии в его статоре, то есть электродвигатель 1 в данном случае работает в генераторном режиме. При этом генерируемая электроэнергия рекуперируется в электросеть нефтепромысла посредством инвертора, входящего в состав ИСУ 2 привода. При переключении гидрораспределителя 7 обратно в положение I цикл повторяется. Таким образом, когда гидрораспределитель 7 находится в положении I, электродвигатель 1 затрачивает мощность на работу гидронасоса 5 и на подъем колонны штанг и столба скважинной жидкости, при этом часть мощности затрачиваемой на подъем колонны штанг и столба скважинной жидкости преобразуется в потенциальную энергию колонны штанг. Когда гидрораспределитель 7 переключается в положение II, потенциальная энергия колонны штанг преобразуется в гидравлическую энергию рабочей жидкости, которая, в свою очередь, преобразуется в механическую энергию посредством гидромотора 6, вал которого кинематически соединен с валом электродвигателя 1 муфтой 4, а за счет вращения ротора электродвигателя 1 относительно его статора механическая энергия преобразуется в электрическую энергию и рекуперируется с помощью ИСУ 2 в элекросеть нефтепромысла.

Описаное техническое решение позволяет увеличить наработку на отказ гидравлического привода ШСНУ за счет исключения знакопеременных нагрузок на валах объемных гидромашин и концах вала электродвигателя 1 в процессе эксплуатации. При подъеме колонны штанг и столба скважинной жидкости (втягивании штока 15) на концах валов электродвигателя 1 возникает крутящий момент, при этом когда на конце вала электродвигателя 1, кинематически соединненного муфтой 3 с валом гидронасоса 5, есть крутящий момент, на валу гидронасоса 5 возникает противомомент, при этом на валу гидромотора 6, кинематически соединенного муфтой 4 с вторым концом вала электродвигателя 1, на котором также есть крутящий момент, противомомент не возникает, так как гидромтор 6 работает в режиме холостого хода, то есть без нагрузки. При опускании колонны штанг (выдвижении штока 15) на валу гидромотора 6 создается крутящий момент, а на соответствующем конце вала электродвигателя 1, кинематически соединенного муфтой 4 с валом гидромотора 6, возникает противомомент, при этом на противоположном конце вала электродвигателя 1 есть крутящий момент, тогда как на соединенном с ним муфтой 3 валу гидронасоса 5 противомомент не возникает, поскольку гидронасос 5 работает в режиме холостого хода, то есть без нагрузки. Таким образом, обеспечивается однонаправленность нагрузок в соответствующих местах их приложения (концы вала электродвигателя 1, валы гидронасоса 5 и гидромотора 6), за счет чего замедляется развитие усталостного износа данных узлов и, следовательно, повышается надежность и увеличивается наработка на отказ гидравлического привода ШСНУ в целом.

Изобретение относится к нефтедобывающей отрасли и может быть использовано при скважинной добыче нефти в качестве привода штанговой скважинной насосной установки (ШСНУ). Гидравлический привод ШСНУ содержит две объемные необратимые гидромашины роторного типа, силовой гидроцилиндр и гидробак, соединенные с помощью трубопроводов, подключенных к гидрораспределителю и сообщающихся с переливным и предохранительным клапанами. Один из трубопроводов включает в себя фильтр и обратный клапан. При этом электродвигатель, управляемый посредством интеллектуальной системы управления, включающей в себя частотный преобразователь и инвертор, выполнен с двусторонним выходом вала. С каждым из концов вала электродвигателя кинематически соединена объемная необратимая гидромашина роторного типа, при этом одна из указанных гидромашин – гидронасос, а гидромашина, соединенная с противоположным концом двустороннего вала электродвигателя – гидромотор. Обеспечивается повышение надежности и времени наработки на отказ гидравлического привода ШСНУ. 1 ил.

Гидравлический привод штанговой скважинной насосной установки, содержащий две объемные необратимые гидромашины роторного типа, силовой гидроцилиндр и гидробак, соединенные с помощью трубопроводов, подключенных к гидрораспределителю и сообщающихся с переливным и предохранительным клапанами, один из трубопроводов включает в себя фильтр и обратный клапан, при этом электродвигатель, управляемый посредством интеллектуальной системы управления, включающей в себя частотный преобразователь и инвертор, выполнен с двусторонним выходом вала, с каждым из концов вала электродвигателя кинематически соединена объемная необратимая гидромашина роторного типа, при этом одна из указанных гидромашин – гидронасос, а гидромашина, соединенная с противоположным концом двустороннего вала электродвигателя – гидромотор.