Привод штангового скважинного насоса с инерционным уравновешиванием Советский патент 1993 года по МПК F04B47/04 

Изобретение относится к оборудованию для добычи нефти, предназначено для привода штангового скважинного насоса и может быть использовано при эксплуатации нефтяных скважин.

Целью предложения является повышение эффективности и упрощение регулирования величины среднего числа качаний.

Указанная цель достигается за счет изменения конструкции системы управления силовым распределителем, обеспечивающей возможность введения пауз регулируемой длительности после каждого двойного хода штанг при их установке в крайнем положении.

Компоновочная схема предложенной установки приведена на фиг. 1, гидравличе- екая схема - на фиг. 2.

Привод состоит из несущей рамы 1, установленной на фланце колонны обсадных труб 2 скважины 3 (фиг. 1). В ней располагается колонна насоснокомпрёссорных труб

4, колонна штанг 5 и скважинный насос (на чертеже не показан). В верхней части располагается приводной цилиндр 6 с демпфером 7 (фиг. 2), а в средней части располагаются аппараты и узлы гидропривода: распределители 8-12, предохранительный клапан 13, двухкаскадный предохранительный клапан 14, предохранительный клапан 15, насос 16 и мотор 17, валы которых кинетически связаны друг с другом, с маховиком 18 и валом приводного двигателя 19. Дополнительный насос 20 малой производительности приводится в действие приводным-двигателем 19. В верхней части рамы 1 распола-. гается основной бак 21, в нижней части (ниже всех аппаратов и устройств) - дополнительный бак 22, которые соединены друг с другом трубопроводом 23. Регулируемые дроссели 24-30 и обратные клапаны 31-40. Вспомогательный цилиндр 41 с подпружиненным поршнем 42, шток 43 которого снабжен резьбовой втулкой 44 и пружинным

ел

С

00

о оо

о

00

W

демпфером 45. Фильтр грубой 46 и тонкой 47 очистки.

Распределители 11. 12 с гидравлическим, а дополнительные распределители 8, 9 и распределитель 10 - с механическим управлением. Для привода распределителей 9, 10 используется дополнительный кулачок 48 и кулачок 49, установленные на стержнях 50, 51, соответственно. Последние перемещаются в направляющих 52, ус- тановленных на раме 1. Стержень 50 с кулачком 48 приводит в действие распределитель 9. В нижней части стержня 50 имеется упор 53, а в верхней части возвратная пружина 54. В нижней части стержня 51 имеется аналогичный упор 55, а в верхней части - упор 56. Направляющие 52 стержня 51 снабжены стопорами (на схеме не показаны), исключающими его самопроизвольное вертикальное перемещение, Пере- мещение стержней обеспечивается муфтой 57, соединяющий шток цилиндра 58 и колонну штанг 5. Пневматический аккумулятор 59 может быть подлключен к полости демпфера 7. К валу двигателя подключен датчик числа оборотов 61. электрически связанный с реле тока 62, установленного в электрической цепи двигателя 19. Дроссели 24, 25 служат для регулирования времени перемещения поршня 42 цилиндра 41 впра- во и влево, дроссели 28, 29 для регулирования времени переключения распределителя 11, а дроссели 27, 30 - для регулирования времени переключения распределителя 12. Дроссель 26 регулирует процесс торможе- ния поршня цилиндра 6.

Привод работает следующим образом.

Перемещение колонны штанг состоит из трех фаз-ход вниз, пауза, ход вверх. Совокупность этих фаз в дальнейшем будем называть установившимся режимом работы привода. Кроме этого, имеется еще и пусковой режим.

При установившимся режиме работы перемещение точки подвеса штанг осущест- вляется с одними и теми же скоростями, а число качаний регулируется длительностью пауз между ходами вверх, и вниз.

Ход штанг вниз: стержни 50, 51 с кулачками 48, 49 находятся в верхних положени- ях. При этом штоки распределителей 9. 10 выдвинуты и они занимают положение 2. От насоса 20 жидкость из дополнительного бака 22 через распределители 9,10 поступает в левую управляющую полость распреде- лителя 11, который занимает положение 1. Одновременно жидкость направляется в левую управляющую полость распределителя 12, который занимает положение 1. В результате рабочая жидкость, вытесняемая из подпоршневой полости цилиндра б, поступает в напорный патрубок гидромотора 17, который вместе с приводным двигателем 19 раскручивает маховик 18. Насос 16 при этом работает вхолостую, перекачивая жидкость, поступающую из гидромотора 17 и из дополнительного бака 22 через распределитель 11 в основной бак 21, а из него, по трубопроводу 23, обратно, в дополнительный бак 22. Для уменьшения гидравлических потерь при холостой работе насоса 16 двухкаскадный предохранительный клапан 14 в период хода штанг принудительно от- крыТ--его управляющая линия через распределитель 12 соединена с дополнительным баком 22.

При ходе штанг вниз поршневая полость цилиндра вспомогательного 41 через обратный клапан 32 и регулируемый дроссель 25 посредством распределителя 9 соединена с дополнительным баком 22. Жидкость, имеющаяся в поршневой полости, под действием пружины вытесняется в дополнительный бак 22, а время перемещения поршня 42 в крайнее левое положение определяется настройкой регулируемого дросселя 25. Последний регулируется таким о.бразом. чтобы к концу хода штанг вниз поршень 42 находился бы в крайнем левом положении. При подходе поршня цилиндра 6 к нижнему положению муфта 57 воздействует на упоры 53, 55 и перемещает стержни вниз. В результате кулачки 48, 49 перемещают штоки дополнительных распределителей 9, 10 и они занимают положение 1. При этом жидкость от дополнительного насоса 20 начинает поступать через распределитель 9, регулируемый дроссель 24 и обратный клапан 31 в поршневую полость вспомогательного цилиндра 41, поршень 42 которого перемещается вправо. Время перемещения поршня вправо до соприкосновения со штоком распределителя 8 регулируется резьбовой втулкой 44 и дросселем 24.

В положении 1 распределители 8 и 10 соединяют левые управляющие полости распределителей 11, 12с баком, а правые - с линиями дополнительных распределителей 8 и 9, который в период торможения поршня цилиндра 6 закрыты. Под действием возвратных пружин распределитель 11 занимает положение О. Масло поступает в правую управляющую полость через обратный клапан 34 и 38.

Для торможения поршня цилиндра 6 используется демпфер 7, из полости которого масло вытесняется через дроссель 26. Для более полного использования энергии колонны штанг может быть использован аккумулятор 59, который заряжается в процессе торможения. После достижения нижнего положения поршень цилиндра вместе с колонной штанг останавливается.

Пауза. Ее длительность определяется временем перемещения поршня 42, пока пружинный демпфер 45 не воздействует на шток распределителя 8. Во время паузы вращение соединенных валов насоса 16, мотора 17, приводного двигателя 19 и махо- вика 18 продолжается. При этом насос 16, как и во время хода штанг вниз, работает вхолостую, а на прием мотора 17 жидкость поступает через обратный клапан 40 из основного бака 21. Длительность паузы выби- рается исходя из требуемого числа двойных ходов в минуту, определяемого исходя из дебита скважины,

Для экономии электроэнергии и увеличения значения тангенса фи в период па- узы электродвигатель 19 может быть отключен от сети реле тока 62 (при холостом вращении вала двигателя ток в его цепи уменьшается в 5-10 раз). При уменьшении числа оборотов двигателя ниже заданного предела датчик числа оборотов 61 дает сигнал на включение.

Ход штанг вверх: при достижении пружинным демпфером штока распределителя 8 последний переключается и занимает по- лржение 1. В результате масло от вспомогательного насоса 20 поступает через распределитель 10, находящийся в положении 1, в правые управляющие полости распределителей 11 и 12. Они занимают по- ложение 1, при этом двухкаскадный предохранительный клапан 14 закрывается и жидкость насосом 16 подается через распределитель 11 в подпоршневую полость цилиндра 6, Его поршень вместе с колон- ной штанг перемещается вверх. Мотор 17 при этом работает вхолостую, жидкость из основного бака 21 через обратный клапан 40 поступает на его прием и далее направляется в насос 16. Во избежании подсоса воздуха между распределителем 11 и основным баком 21 установлен обратный клапан 35.

Перемещение поршня цилиндра 6 в пределах демпфера 7 соответствует нижне- му положению кулачка 48. При этом распределитель 9 находится в положении 1, а масло в управляющие полости распределителей 11, 12 подается через распределитель 10, находящийся в положении 1. В это время поршень 42 вспомогательного цилиндра 41 продолжает перемещаться вправо, сжимая пружину демпфера 45. После того, как муфта 57 перестанет воздействовать на упор 53, стержень 50 вместе с кулачком 48

под действием пружины 54 переместится вверх, а распределитель 9 займет положение 2 и будет находиться в нем в течение всего времени хода вверх. При этом масло от насоса 20 поступает в управляющую полость распределителя 11 через распределитель 9, а поршневая полость цилиндра 41 через обратный клапан 32 и дроссель 25 соединится с дополнительным баком 22. Поршень 42 будет перемещаться влево.

Движение поршня цилиндра 6 вверх будет продолжаться до тех пор, пока муфта 57 не воздействует на упор 56 и не переместит стержень 51 с кулачком 49 вверх. При этом распределитель 10 займет положение 2 и левые управляющие полости распределителей 11, 12 соединит с насосом 20, а правые - с дополнительным баком 22. Распределители 11,12 займут положение 1, предохранительный клапан 14 откроется и разгрузит насос 16, а напорный патрубок мотора 17 соединится с подпоршневой полостью цилиндра 6.

Далее цикл работы повторяется.

При пуске установки поршень цилиндра 6 находится в нижнем положении, распределитель 11 в положении О. Шток распределителя 12 вручную перемещается в положение 1. Режим работы гидравлических аппаратов соответствует фазе пауза. До момента переключения распределителя 8 приводной двигатель 19 раскручивает маховик 18 до номинального числа оборотов. После переключения распределителя 8 начинается ход штанг вверх.

В процессе работы установки масло из дополнительного бака 22 насосом 20 нагнетается в управляющие полости распределителей, а между циклами их работы жидкость через переливной клапан 13 и фильтр тонкой очистки 47 поступает в основной бак 21.

Все утечки, возникающие в процессе работы, сливаются в дополнительный бак 22, расположенный ниже уровня всех гидравлических аппаратов, а жидкость из основного бака 21 по трубопроводу направляется в дополнительный бак 22. Для предотвращения потерь жидкости их основного бака при ремонте гидропривода служит кран 60.

Для предохранения от перегрузок мотора 17 имеется предохранительный клапан 15.

Для более полного аккумулирования энергии колонны штанг в период торможения полость демпфера может быть соединена пневматическим с аккумулятором.

При перемещении вверх и вниз поршня цилиндра 6 вместе с колонной штанг 5 перемещается плунжер скважинного насоса и совершается его рабочий цикл. Поднимаемая пластовая жидкость течет по колонне насоснокомпрессорных труб 4 и отводится через боковой отвод в промысловую систему сбора.

В процессе работы привода его уравновешивание обеспечивается маховиком 18, который при ходе штанг вниз раскручивается мотором 17 и приводным двигателем 19. При этом потенциальная энергия колонны опускания штанг увеличивается. При ходе штанг вверх энергия, запасенная маховиком 18, расходуется для привода в действие насоса 16, вал которого вращается и двигатель 19. В этот период времени кинетическая энергия маховика и уменьшается и превращается в потенциальную энергию колонны штанг. Величина момента инерции маховика 18 выбирается таким образом, чтобы средняя мощность приводного двигателя 19 при ходе штанг вверх и вниз была бы постоянной.

Таким образом, регулирование числа двойных ходов привода осуществляется не за счет изменения режима работы маховика, а за счет изменения числа циклов функционирования установки в единицу времени путем введения пауз между отдельными ходами.

Это позволяет улучшить энергетические показатели привода, путем выбора оптимального режима работы маховика, независимо от режима работы собственно привода.

Использование В качестве приводного двигателя коллекторного двигателя позволяет увеличить диапазон изменения числа оборотов маховика по сравнению с асинхронным двигателем. Это ,позволяет улучшить энергетические показатели и снизить массу маховика.

Формула изобретения 1. Привод штангового скважинного насоса с инерционным уравновешиванием, содержащий приводной цилиндр, шток которого соединен с колонной штанг, а его штоковая полость выполнена с возможностью попеременного подключения при помощи силового распределителя с гидравлическим управлением к нагнетательной линии насоса или к входной линии гидромотора, систему управления силовым распределителем, включающую двухпозиционный

четырехлинейный пилотный распределитель с механическим управлением от связанного со штангой кулачка и с пружинным возвратом, две линии которого подключены соответственно к источнику давления уп- равления и к баку, а две другие - к соответствующим камерам управления силовым распределителем, предохранительный клапан, установленный между

нагнетательной линией насоса и баком, причем приводной вал насоса и выходной вал гидромотора кинематически связаны с валом приводного двигателя, имеющего маховик, отличающийся тем, что, с целью

обеспечения регулирования величины среднего числа качаний путем введения пауз регулируемой длительности после каждого двойного хода штанг при их остановке в крайнем положении, привод снабжен вспомогательным цилиндром с поршнем и штоком, установленным с образованием поршневой и штоковой полостей, в последней из которых размещена пружина сжатия, и дополнительным кулачком, связанным со

штангой, источник давления управления выполнен в виде дополнительного насоса и подключен к пилотному распределителю при помощи двух параллельно установленных дополнительных двухпозиционных распределителей.с механическим управлением и пружинным возвратом, один из которых при помощи обратных клапанов и регулируемых дросселей дополнительно подключен к поршневой полости вспомогательного цилиндра и управляется дополнительным кулачком, а другой управляется штоком вспомогательного цилиндра.

2. Привод по п. 1. отличающийся тем, что с целью обеспечения возможности

разгрузки основного насоса, предохранительный клапан выполнен двухкаскадным и снабжен подключенным между камерой управления вторым каскадом клапана и баком, двухпоэиционным сливным распределителем с гидромеханическим управлением, при этом камеры управления сливным распределителем сообщены с соответствующими камерами управления силового распределителя.

3. Привод по пп. 1 и 2, отличаю - щ и и с я тем, что в качестве приводного двигателя используется коллекторный электродвигатель с параллельным или последовательным включением обмоток ротора и

статора.

Фиг./

Сущность изобретения: поршень с штоком установлены во вспомогательном цилиндре с образованием поршневой и штоковой полостей. В штоковой полости размещена пружина сжатия. Дополнительный кулачок связан с штангой. Источник давления управления выполнен в виде насоса и подключен к пилотному распределителю двумя параллельно установленными двухпозиционными распределителями с механическими управлением и пружинным возвратом. Один из распределителей обратными клапанами и регулируемыми дросселями подключен к поршневой полости вспомогательного цилиндра и управляется дополнительным кулачком. Другой - штоком вспомогательного цилиндра. 2 з. п. ф- лы. 2 ил.