г.Москва
ЗАО "Энерпром-Инжиниринг"
+7 495 411-60-04

   8 800 777-17-35
Служба продаж. Звонок бесплатный

Пн Вт Ср Чт Пт Сб Вс

8:30 - 17:30 On-line запрос

Новинки
Кантователь с подъёмными центрами КС-ПЦ
Кантователь с подъёмными центрами КС-ПЦ

Предназначен для синхронного подъема, удержания и кантования на 360о крупногабаритных и тяжеловесных деталей и их узлов при проведении сварочных и прочих технологических работ

Цепной кантователь горизонтальный КЦ-ХБ
Цепной кантователь горизонтальный КЦ-ХБ

Обеспечивает подъем, удержание и кантование деталей до 7000 кг, в удобное положение, при выполнении сварочных и технологических работ, требующих поворота изделия вокруг продольной оси на 360о...

Насосная станция высокой мощности 3НДР32/32/32-80/80/50И200
Насосная станция высокой мощности 3НДР32/32/32-80/80/50И200

Используется в качестве источника питания для привода высокопроизводительных шламовых помп, гидравлического инструмента, а также в качестве аварийного источника питания...

Установка для задавливания сварного трубчатого шпунта «БОБР»
Установка для задавливания сварного трубчатого шпунта УПБТ-1000

Установка УПБТ-1000 («БОБР») предназначена для статического горизонтального вдавливания с усилием до 1000 тс. в грунт сварного трубчатого ШТС...

Кольцевой кантователь горизонтальный КК-ХБ
Кольцевой кантователь горизонтальный КК-ХБ

Предназначен для подъема, удержания и кантования деталей до 7000 кг в удобное положение при выполнении сварочных и технологических работ, требующих поворота изделия вокруг продольной оси на 360о...

Кантователь кузова вагона-хоппера
Кантователь кузова вагона-хоппера

Кантователь кузова вагона хоппера КСВХ служит для подъёма и поворота кузовов вагонов-хопперов массой до 12000 кг при выполнении сварочных и технологических работ...

Установка правки люков полувагонов УПЛ-П2М
Установка правки люков полувагонов УПЛ-П2М

Установка УПЛ-П2М предназначена для правки крышек люков полувагонов без их снятия при производстве планового ремонта вагонов, проводимого в условиях депо, а также на ППВ и ПТО...

Пресс для сборки-разборки колесных пар
Пресс для сборки-разборки колесных пар

Пресс ПГПК-150 предназначен для сборки-разборки колёсных пар, позволяет выполнять операции запрессовки колёс и подшипниковых узлов на колёсную ось в полуавтоматическом и ручном режиме. На прессе также можно осуществить распрессовку колёсной пары в случае её браковки по результатам измерений усилий запрессовки и геометрических параметров...

 

Еще новинки...
Главная страницаСтатьи/публикацииГидравлический привод штангового скважинного насоса с инерционным уравновешиванием

Гидравлический привод штангового скважинного насоса с инерционным уравновешиванием

06.04.2016

Молчанов А.Г. (д.т.н., проф.зав.кафедрой технической механики РГУ нефти и газа им.И.М.Губкина)

Певнев В.Г. (к.т.н.,доцент кафедры технической механики РГУ нефти и газа им.И.М.Губкина)

Тарасов К.В. (Зам.генерального директора ЗАО «Энерпром-Инжиниринг»)

Гидравлический привод штангового скважинного насоса

с инерционным уравновешиванием

 В настоящее время фонд эксплуатационных скважин в РФ составляет 180 тыс. шт. Из этого числа – скважины, оборудованные штанговыми скважинными насосами (ШСН) приводимыми в действие  балансирными станками качалками  составляют порядка 70 тыс. Остальная часть эксплуатируется погружными электроцентробежными насосными установками (УЭЦН). Кроме того существует большое количество установок иных типов, которые в нашей стране применяются в достаточно ограниченных масштабах.

В основе штанговых скважинных установок лежит применение насоса объемного действия, который соединен колонной штанг с приводом, располагающимся на поверхности земли. В подавляющем большинстве случаев применяется плунжерный насос с шариковыми нагнетательными и всасывающими клапанами. За последние почти 150 лет развития оборудования реализующего данный способ, было предложено и внедрено огромное количество конструкций приводов ШСН основанных на использовании механических, электрических, пневматических и  гидравлических передачах. Но механический привод, реализованный в балансирных станках-качалках, основанный на использовании редуктора и рычажного механизма, не уступает своих позиций. Это обусловлено, в частности, тем, что в условиях отечественных промыслов простой и ремонтоспособный механизм в наибольшей степени соответствует менталитету российских нефтяников.

В процессе работы штанговой насосной установки с любым типом привода необходимо сохранить потенциальную энергию колонны насосных штанг, которую привод поднимает при ходе вверх, а так же выровнять нагрузку на двигатель, который при ходе штанг вниз не совершает полезной  работы (рис.1). Поэтому,  независимо от типа привода, присутствие уравновешивающего устройства  в приводе штангового насоса обязательно. В противном случае, мощность двигателя должна быть увеличена в 3 – 10 раз, в зависимости от конкретных условий эксплуатации скважины. Применительно к балансирным станкам-качалкам это условие может быть обеспечено, если вес уравновешивающего груза установленного на балансире равен весу штанг плюс половина веса столба жидкости, поднимаемого плунжером скважинного насоса. Груз в данном случае является аккумулятором гравитационного типа. Кроме гравитационных аккумуляторов в приводах штанговых насосов применяют пневматические  и  инерционные.

При наличии уравновешивающего устройства (рис.2), энергия от колонны штанг при их ходе вниз передается уравновешивающему устройству, а при ходе штанг вверх – передается от него к колонне штанг. При этом двигатель развивает постоянную мощность. Направляя энергию то к штангам, то к уравновешивающему устройству.

Основными недостатками станков качалок является:

- квадратичная зависимость массы от длины хода, при длине хода штанг более 2 м она составляет более 10 т;

- наличие горизонтальных составляющих сил при работе привода, расшатывающих фундамент;

- необходимость в массивном фундаменте;

- необходимость в сооружении свайного основания при расположении на неустойчивых грунтах;

- значительный период монтажа станка-качалки при обустройстве скважины и ее ремонта;

- необходимость выполнения ремонтных работ в полевых условиях.

Перечисленные недостатки, привели к тому, что с пятидесятых годов прошлого века зарубежные, а затем и отечественные конструкторы пытались использовать объемный гидропривод для перемещения колоны штанг. В России в 60-70е годы  разработка гидроприводных установок сосредоточилось в АзИНМАШе (Баку) и Московском нефтяном институте им.И.М.Губкина.

Эти работы велись с переменным успехом, внедрялись новые типы приводов, шел поиск комплектующих изделий, отрабатывались наиболее ответственные узлы и детали. Не всегда эти работы сопровождались успехом, что давало повод отдельным «специалистам» утверждать, что на промыслах нет места гидроприводу, а у механических станков-качалок нет альтернативы. В общей сложности на промыслах Краснодарского края, Татарии и Казахстана эксплуатировалось более 120 гидроприводных установок использующих в качестве уравновешивающего груза колонну насосно-компрессорных труб.

К девяностым годам в РФ они были настолько отработаны, что некоторые конструкции были рекомендованы к серийному производству, однако произошедшая перестройка прервала процесс их массового внедрения и создания мощностей по их масштабному изготовлению. Надежность гидроприводных установок тех лет оставляла желать лучшего.  Во время вынужденного перерыва в работах были  глубоко проанализированы результаты эксплуатации установок, основные причины отказов. Одним из основных источников отказов являлась система уравновешивания, представлявшая собой отдельный гидроцилиндр с насосом высокого давления и системой клапанов. Как показывает практика, резкое улучшение параметров может быть обеспечено только при внесении коренных изменений в принцип действия машины. Исследовательские и конструкторские работы показали, что существенное увеличение надежности установки может быть достигнуто за счет применения инерционного уравновешивания.

В последние годы интерес к гидравлическим станкам-качалкам возрос, и ряд фирм занялся их проектированием и изготовлением. Это вполне естественный процесс, потому что прогрессивность существующих схем приводов штанговых скважинных насосов ранее не соответствовала уровню их элементной базы.  В настоящее время можно говорить об их соответствии, что достигнуто за счет полной гидрофикации оборудования в таких отраслях, как транспортное и дорожно-строительное машиностроение, станкостроение. Тут напрашивается некоторая аналогия с проектами Леонардо да Винчи – его оригинальные  проекты в 15 веке не могли быть реализованы  при существовавшем уровне развития машиностроения,  развития химической промышленности и т.п. Потребовалось пять веков, что бы эти проекты стали реальными. С гидравлическим приводом штанговых насосов проще – потребовалось 50 лет, что бы насосы, распределители, клапаны и другие элементы гидропривода были усовершенствованы настолько, что появилась возможность на их базе изготавливать реальные машины, эксплуатирующиеся на промыслах без непрерывного контроля обслуживающим персоналом. Кроме того, многократно увеличилась номенклатура гидрофицированных машин, работающих на промыслах, и, соответственно, вырос общий уровень культуры эксплуатации и обслуживания подобного оборудования.

Надо отметить, что традиционные конструкции гидравлических приводов, несмотря на их простую принципиальную схему, достаточно сложны и состоят из большого количества узлов и деталей, изготавливаемых с высокой точностью. Уровень квалификации обслуживающего и ремонтирующего персона должен быть в разы выше, чем у работников связанных с механическими станками-качалками. Существующие гидроприводные установки с пневматическим уравновешиванием включают в себя гидравлическую и пневматическую системы, должны настраиваться в зависимости от режима эксплуатации - диаметра плунжера штангового насоса, диаметра и длины насосных штанг, динамического уровня. Изменение  длины хода штанг и числа качаний в них проще, чем в балансирных станках качалках, но все равно далеко от совершенства. Они должны подвергаться ежегодной ревизии органами Ростехнадзора, поскольку в их конструкции имеются сосуды, работающие под высоким давлением. Стремление выйти из под его контроля и использовать аккумуляторы малого объема приводит к значительной неравномерности нагрузки на приводной двигатель. Кроме того, детали пневматических аккумуляторов (разделительная диафрагма или уплотнения поршня-разделителя) нуждаются в периодической замене.

Естественно, хочется иметь такой привод штангового скважинного насоса, который был бы свободен от перечисленных недостатков. И такой привод есть! Это гидроприводные станки с инерционным уравновешиванием. Преимущества этих установок следующие:

- предельная простота по сравнению с гидроприводными установками известных типов;

- короткий срок монтажа – не более 4-5 часов от доставки к скважине до пуска установки;

- отсутствие необходимости в сооружении фундамента – монтаж непосредственно на устье скважины;

- сравнительно большая длина хода – 3,5 м., с возможностью увеличения до 6 м.;

- нет необходимости в операциях уравновешивания установки;

- большой диапазон чисел качаний  (от 0 до 10 ходов в мин)  при сохранении во всем диапазоне значений коэффициента подачи скважинного насоса;

- нет необходимости в уходе за уравновешивающим устройством и в его ремонте.

За счет чего достигаются перечисленные преимущества? За счет применения маховика в качестве уравновешивающего устройства. Его применение достаточно эффективно, поскольку он работает в режиме, при котором длительность фаз накопления  энергии и ее отдачи составляют десятки секунд и при этом энергия маховика практически не рассеивается. 

Достаточно очевидно, что чем проще машина, тем она надежней. И простота конструкции должна быть обеспечена прежде всего в тех элементах машины, которые передают наибольшие потоки энергии. За всю историю человечества не изобретено более надежного устройства для накопления энергии, чем груз. Если он движется вверх-вниз, то накапливает потенциальную энергию, если вращается -  то кинетическую. Однако, при одинаковой массе, величина энергии, которую он может накопить и отдать в десятки и сотни раз выше у вращающегося тела, чем у простого груза. Не следует забывать, что в каждом автомобиле, в каждом ДВС имеется маховик, диаметр которого от 0,3 до 2 м, вращающийся с числом оборотов от 1000 до 5000 и более. Так, например, для уравновешивания балансирного станка-качалки среднего типо-размера необходим вес груза  порядка 3000-4000 кгс, а при использовании маховика – 300 - 500. Подобное уравновешивающее устройство не требует настройки и регулировки – единожды изготовленное и отбалансированное оно будет работать весь срок службы устройства, не нуждаясь в обслуживании и ремонте.

 

Таблица 1. Характеристики удельной энергоемкости уравновешивающих устройств различных типов, применяемых в штанговых насосных установках.

Способ уравновешивания

Грузовое

Пневматическое

Инерционное

Удельная энер­гия, кДж/кг

1-6

28 - 30

200

 

Принцип работы штанговой установки может быть проиллюстрирован схемой (рис.3).

Установка с динамическим уравновешиванием включает приводной гидравлический цилиндр 1, поршень 2 которого по­средством штока 3, устьевого штока 17 и колонны штанг 16 соединен с плунжером 15 скважинного насоса, цилиндр 14 ко­торого подвешен на колонне 13.

Привод установки осуществляется двигателем 7, вращаю­щим вал силового мотор-насоса 5, на котором установлен ма­ховик 6. Гидравлическая схема состоит из силового золотника 4, переливного 11, разгрузочного 8, обратного 10 клапанов, бака 12, а также системы реверсирования, фильтрации и т. п. В электрическую цепь двигателя включено реле тока 9, уп­равляющее электромагнитным приводом разгрузочного кла­пана 8. Он служит для уменьшения нагрузки на двигатель при его запуске.

При движении штанг вверх энергия для подъема столба жидкости и колонны штанг подводится от электродвигателя и маховика (См.рис.2). При ходе штанг вниз потенциальная энергия штанг посредством гидропривода преобразуется в кинетическую энергию маховика, который ее за­пасает. Помимо этого при ходе штанг вниз электродвигатель также передает свою энергию маховику. В результате мощность развиваемая двигателем постоянна и минимальна.

Два опытных прототипа установки были изготовлены в 1994 г. и испытаны в ПО «Когалымнефтегаз».

Характеристики установок следующие:

Максимальная нагрузка в точке подвеса штанг, кН       60

Мощность приводного двигателя, кВт                           13

Масса установки, кг                                                        1800

Число двойных ходов точки подвеса штанг, мин-1       0 – 5

Габариты, м                                                                      8 х 2 х 2

Способ уравновешивания – динамический, с помощью маховика.

Способ монтажа – на устье скважины, без специального фундамента.

Для монтажа установки необходим кран с высотой подъема крюка 9 м. при условии предварительного спуска в скважину насоса, колонны НКТ, колонны штанг с устьевым штоком и монтажа узла его уплотнения, входящего в комплект поставки.

Область применения установки с подобной характеристикой характеризуется диаграммой «QH» (рис.4).

Установки успешно эксплуатировались в течении года, при этом были  выявлены ряд замечаний, не касающихся силовой части и уравновешивающего устройства.  Они касались приспособления для монтажа установки и ее первоначального запуска. Эти замечания были устранены, однако дальнейшие работы были прекращены из-за возникших организационных проблем в период перестройки.

В настоящее время, помимо моноблочной конструкции (Рис.5), разработаны установки с отдельным блоком привода. При этом на скважине монтируется только силовой орган (гидроцилиндр), а привод с уравновешивающим устройством и баком – в отдельном компактном блоке. В гидравлической системе используются импортные комплектующие. Для кратковременной эксплуатации скважин -  1 – 2 месяца, может быть использовано автономное исполнение установки с использованием в качестве приводного двигателя дизеля. Данное исполнение подразумевает монтаж привода в утепленном балке, обеспечивающем удобную эксплуатацию двигателя и обслуживание гидравлической системы при низких температурах.                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                     

 Предпочтительными областями применения установки СКГИ–60 помимо постоянной эксплуатации, являются,  пробная эксплуатация скважин, работа на удаленных и труднодоступных скважинах, где  отсутствует электроснабжение, вызов притока на скважинах после проведения капитального ремонта и исследование скважин.

Характерной особенностью установки, помимо перечисленных выше положительных свойств, является:

- нормирование усилия в точке подвеса штанг;

- возможность работы в режиме постоянного дебита;

- возможность работы при обеспечении постоянного динамического уровня;

- регулирование дебита скважины при вводе ее в эксплуатацию;

- возможность плавного  регулирования числа двойных ходов точки подвеса штанг в широком диапазоне от 0 до максимума;

- обеспечение постоянства коэффициента подачи насоса и, соответственно, общего КПД, при любом числе качаний;

- отсутствует необходимость в периодическом выполнении работ по центровке привода относительно оси скважины.

Производство установок СКГИ-60 налажено на предприятиях ЗАО «Энерпром-Инжиниринг», Москва, http://www.e-eng.ru.

Рис.1 Схема штанговой скважинной насосной установки.

1— фундамент;

2— рама;

3— электродвигатель;

4 — редуктор;

5 — кривошип;

6 — груз уравновешивающий;

7 —шатун;

8 — груз уравновешивающий;

 9 — стойка;

10 — балансир;

11 — механизм фиксации головки ба­лансира;

12 — головка балансира;

13 — канатная подвеска;

14 — устьевой шток;

15 — сальник устьевой.

I – оборудование устья;

II – эксплуатационная колонна, колонна насосно-компрессорных труб и штанг;

 

Рис.2. Блок-схема штанговой скважинной установки, иллюстрирующая направление потоков энергии при ходе штанг

вверх – 1 и вниз – 2.

Силовой орган обеспечивает перемещение штанг вверх-вниз (балансир, гидроцилиндр и т.п.);

Уравновешивающее устройство аккумулирует энергию (груз, пневматический аккумулятор, маховик);

Рис.3. Схема штанговой насосной установки с динамическим уравновешиванием.

     Рис. 4. Область применения установки СКГИ-60

Рис. 5. Опытный образец установки с инерционным уравновешиванием

« вернуться

Карта сайта Контактная информация

2017 © ЗАО «Энерпром-Инженерные решения».
Адрес: Москва, ул. Костякова, д. 12.
Служба продаж: 8 800 777-17-35, +7 495 411-60-04.