1. Техническая часть
1.1 Оборудование для добычи нефти штанговыми скважинными установками.
Штанговые скважинные насосные установки (ШСНУ) предназначены для подъема пластовой жидкости из скважины на дневную поверхность.
Свыше 70% действующего фонда скважин оснащены глубинными скважинными насосами. С их помощью добывается в стране около 30% нефти.
В настоящее время ШСНУ, как правило, применяют на скважинах с дебитом до 30...40 м3 жидкости в сутки, реже до 50 м3 при средних глубинах подвески 1000... 1500 м. В неглубоких скважинах установка обеспечивает подъем жидкости до 200 м3/сут.
В отдельных случаях может применяться подвеска насоса на глу-бину до 3000 м.
Привод предназначен для преобразования энергии двигателя в возвратно-поступательное движение колонны насосных штанг.
Штанговая скважинная насосная установка включает:
а) наземное оборудование - станок-качалка (СК), оборудование устья, блок управления;
б) подземное оборудование - насосно-компрессорные трубы (НКТ), штанги насосные (ШН), штанговый скважинный насос (ШСН) и различные защитные устройства, улучшающие работу установки в осложненных условиях.
Рис. 1. Схема штанговой насосной установки
Штанговая глубинная насосная установка (рисунок 1) состоит из скважинного насоса 2 вставного или невставного типов, насосных штанг 4, насосно-компрессорных труб 3, подвешенных на планшайбе или в трубной подвеске 8 устьевой арматуры, сальникового уплотнения 6, сальникового штока 7, станка качалки 9, фундамента 10 и тройника 5. На приеме скважинного насоса устанавливается защитное приспособление в виде газового или песочного фильтра 1.
1.2 Станок-качалка назначение и типы
Станок-качалка предназначен для привода в действие глубинно-насосной установки. Он преобразует вращательное движение вала двигателя в вертикальный возвратно-поступательное движение точки подвеса штанг, т.е. всей колонны штанг и плунжера глубинного насоса.
Гидравлический привод, обладая, с одной стороны, высоким КПД, позволяет достаточно просто регулировать отдельные параметры цикла двойного хода штанг, например: изменять ускорение точки подвеса штанг независимо от числа двойных ходов, регулировать скорости хода штанг вверх и вниз в зависимости от свойств пластовой жидкости и т.д.
ГОСТ 5866-76 предусматривает изготовление станков-качалок тридцати типоразмеров.
Станок-качалка комплектуется асинхронным электродвигателем с повышенным пусковым моментом и влагоморозостойкой изоляцией, блоками управления, обеспечивающих индивидуальный самозапуск станков-качалок или программную работу с индивидуальным самозапуском.
Каждый тип станка-качалки характеризуется максимальными допустимыми нагрузками на устьевой шток, длиной хода устьевого штока и крутящим моментом на кривошипном вала редуктора. Кроме СК.2, СКЗ и СК4, все станки-качалки имеют по два типоразмера.
Принятое условное обозначение станка-качалка характеризует: СК - станок-качалка, первая цифра - больше допустимая нагрузка на устьевой шток (кН), далее длина хода (м) и наибольший допустимый крутящий момент на валу (кН•м).
По способу уравновешивания они делятся на станки-качалки:
• с балансирным уравновешивания - СК2
• с комбинированным уравновешивания – СКЗ
• с кривошипным уравновешивания от СК4 к СК10.
Обозначение оборудование принято делать так, например, СКД8 — 3.0 - 4000, указано Д — дезаксиальный; 8 — наибольшая допускаемая нагрузка на головку балансира в точке подвеса штанг, умноженная на 10 кН; 3.0 — наибольшая длина хода устьевого штока, м; 4000 — наибольший допускаемый крутящий момент на ведомом валу редуктора, умноженный на 10-2 кН*м.
Характерной особенностью насосных скважинных установок также комплектация их электронными устройствами, которые в процессе работы установки постоянно анализируют ее параметры и сигнализируют об отклонении от заданного режима. В случае поставки установок с микропроцессорами, последние меняют режим работы привода согласно изменяющимся.
В настоящее время известно большое количество различных конструкций приводов ШСНУ. Ниже рассмотрены те, что наиболее часто применяются или наиболее характерные приводы.
1. Подавляющее большинство ШСНУ приводятся в действие балансирными приводами с грузовым, роторным или комбинированным уравновешивания. В настоящее время балансирные станки-качалки выпускаются по ГОСТ 5866-76. В зависимости от параметров приводов уравновешивающие груз устанавливается или на балансир, или на кривошипе редуктора, или и здесь и там. Согласно способ уравновешивания называют балансирным, роторным или комбинированным.
В состав станка-качалки входят следующие основные узлы: рама со стойкой, балансир с опорой и противовесами, два шатуны, два кривошипы с противовесами, редуктор, клиноременной передачи, тормоз, электродвигатель, канатная подвеска сальникового штока.
Одним из недостатков балансирных станков-качалок является их большая масса. Это обусловливает необходимость сооружения массивного фундамента, строительство которого достаточно сложно и трудоемко, особенно в районах Западной Сибири, Крайнего Севера, на морских промыслах, затопляемых территориях, районах с заболоченными или сыпучими грунтами.
Рис.2 Схема балансирного станка-качалки:
1 - подвеска устьевого штока; 2 - балансир с опорой; 3 - стойка; 4 - шатун; 5 - кривошип; 6 - редуктор; 7 - ведомый шкив; 8 - ремень; 9 - электродвигатель; 10 - ведущий шкив; 11 - ограждение; 12 - поворотная плита; 13 - рама; 14 - противовес; 15 - траверса; 16 - тормоз; 17 - канатная подвеска.
2. Одним из способов упрощения конструкций станка-качалки, уменьшение его массы, является отказ от использования балансира.
Перемещение колонны насосных штанг при безбалансирных станках-качалках обеспечивается с помощью гибкой звена - нескольких канатов, соединяющих кривошипы редуктора с канатной подвеской устьевого штока. Кривошипы безбалансирный станков-качалок имеют V-образную форму, что обеспечивает уравновешивание поводу.
Рис. 3 Безбалансирный станок-качалка:
1-рама; 2-стойка; 3-сальниковый шток; 4-канатный шкив; 5-траверса и шатуны; 6- кривошипы; 7-редуктор; 8-тормоз; 9-электродвигатель; 10-клиноременная передача.
Устьевое оборудование используется такое же, что и в балансирных станках-качалках. Фундамент безбалансирных станков-качалок аналогичный фундамента балансирных ВК. Основные узлы приводов - редуктор, тормоз, канатная подвеска, узел крепления электродвигателя, противовеса - унифицированы с балансирными станками-качалками.
Уравновешивание безбалансирных станков-качалок - роторное, осуществляется перемещением грузов, установленных на кривошип с одной стороны.
3. В балансирной приводе ШСНУ используется также пневматическое уравновешивания. При этом, как правило, балансир выполняется в виде одноплечие рычага.
Рис. 4 Безбалансирный станок-качалка с пневматическим уравновешиванием:
1 – ресивер; 2 – балансир; 3 – рама
Пневматическое уравновешивания осуществляется за счет изменения объема и давления сжатого воздуха, находящегося в цилиндре, поршень которого кинематически связан с балансиром станка.
Применение пневматического цилиндра вместо противовесов и одноплечие балансира вместо двухплечого позволяет уменьшить массу установки, улучшить условия работы редуктора.
Уравновешивающего устройство состоит из цилиндра, внутри которого находится поршень со штоком, и ресивера. Для пополнения системы сжатым воздухом предусмотрен компрессор. Для уменьшения потерь воздуха в ряде конструкций применен гидравлический затвор. Как ресивер может использоваться кожух уравновешивающего устройства. При перемещении балансира вниз воздух, находящийся в ресивере, под начальным давлением сжимается и накапливает потенциальную энергию, которую отдает при ходьбе балансира вверх.
Пневматическое уравновешивания применяется в основном на мощных установках. Его недостатки (сложность, малая надежность, необходимость тщательного наблюдения) компенсируются существенными преимуществами - возможностью эксплуатации глубоких скважин относительно легкими станками, а также простотой уравновешивания при изменении режима работы установки.
Рис.5. Диаграмма А.Н. Адонина.
Используя диаграмму А.Н. Адонина по дебету скважины и глубиной спуска насоса определяем диаметр плунжера насоса и типоразмер станка-качалки.
1.3 Устройство станка-качалки
Рама – из профильного проката; изготовлена в виде двух полозьев, соединенных поперечными связями к раме прикреплена болтами подставка под редуктор.
Стойка – из профильного проката четырехногая.
На верхней части стойки имеется плита, на которой установлена опора балансира. К плите приварены четыре упора с установочными винтами, позволяющими перемещать балансир в продольном направлении и регулировать положение устьевого штока по центру скважины после монтажа станка-качалки.
Балансир – из профильного проката двутаврового сечения; однобалочной или двубалочной конструкции. Головка балансира – поворотная. Для ее фиксации в рабочем положении в шайбе головки предусмотрен паз, в который входит клин защелки. Корпус защелки с канатом, подведенным к рукоятке, прикреплен болтами к нижней полке тела балансира. Для освобождения головки клин с помощью рукоятки оттягивается назад.
Опора балансира – ось, оба конца которой установлены в сферических роликоподшипниках, расположенных в чугунных корпусах. К средней части оси квадратного сечения приварена планка, через которую опора балансира соединяется с балансиром.
Траверса – прямая из профильного проката. С ее помощью балансир соединяется с двумя параллельно работающими шатунами.
Опора траверсы шарнирно соединяет балансир с траверсой. Средняя часть оси установлена в сферическом роликоподшипнике, корпус которого болтами прикреплен к нижней полке балансира. Концы оси зажаты в клеммовых зажимах двух кронштейнов.
Шатун – стальная трубная заготовка, на одном конце которой вварена верхняя головка шатуна, а на другом – башмак. Палец верхней головки шатуна шарнирно соединен с траверсой.
Башмак болтами прикреплен к нижней головке шатуна. Палец кривошипа конусной поверхностью вставляется в отверстие кривошипа и через разрезную втулку затягивается с помощью гаек.
Кривошип – ведущее звено преобразующего механизма станка-качалки, в котором предусмотрены отверстия для изменения длины хода устьевого штока. На кривошипе установлены противовесы, которые перемещаются с помощью съемного устройства, вставляемого в поперечный паз у основания противовеса. После окончания перемещения противовес закрепляют на кривошипе, затягивая гайки на специальных болтах.
Редуктор изготавливается двухступенчатым с шевронными зубчатыми колесами, с цилиндрической передачей Новикова. Быстроходная ступень – раздвоенный шеврон, тихоходная ступень – шевронная с канавкой.
Ведущий и промежуточный валы установлены в роликоподшипниках с короткими цилиндрическими роликами, ведомый вал – в двухрядных сферических роликоподшипниках. На концах ведущего вала насажены ведомый шкив клиноременной передачи и шкив тормоза. На оба конца ведомого вала насажены кривошипы. Смазка зубчатых колес и подшипников валов осуществляется из ванны корпуса редуктора.
Тормоз – двухколодочный. Правая и левая колодки прикреплены к редуктору. На внутренней поверхности колодок имеются ленты феррадо. С помощью стяжного устройства колодки зажимают тормозной шкив, насаженный на ведущий вал редуктора. Стяжное устройство состоит из ходового винта с правой и левой резьбой и двух гаек, закрепленных на подвижных концах колодок. Рукоятка тормоза, насаженная на стяжной винт, вынесена в конец рамы, за электродвигатель.
Салазки поворотные под электродвигатель обеспечивают быструю смену и натяжение клиновых ремней. Выполнены они в виде рамы, которая шарнирно укреплена на заднем конце рамы станка-качалки в трех точках, а на большегрузных СК (длиной хода свыше 3,5 м) – в четырех.
К поворотной раме поперечно прикреплены болтами двое салазок, на которые устанавливается электродвигатель. Рама с салазками поворачивается вращением ходового винта.
Привод станка-качалки осуществляется от электродвигателя со скоростью вращения вала 750, 1000 и 1500 мин–1.
Электродвигатель – трехфазный короткозамкнутый асинхронный с повышенным пусковым моментом во влагоморозостойком исполнении. На валу электродвигателя установлена конусная втулка, на которую насажен ведущий шкив клиноременной передачи.
Подвеска устьевого штока состоит из верхней и нижней траверс, двух зажимов каната и зажима устьевого штока. Для установки в подвеске гидравлического динамографа в нее вставляют два винта, с помощью которых раздвигаются траверсы подвески.
Штоки сальниковые устьевые ШСУ предназначены для соединения колонны насосных штанг с канатной подвеской станка-качалки.
Амплитуду движения головки балансира регулируют путем изменения места сочленения кривошипа шатуном относительно оси вращения (перестановка пальца кривошипа в другое отверстие). За один двойной ход балансира нагрузка на СК неравномерная. Для уравновешивания работы станка-качалки помещают грузы (противовесы) на балансир, кривошип или на балансир и кривошип. Тогда уравновешивание называют соответственно балансирным, кривошипным (роторным) или комбинированным.
Блок управления обеспечивает управление электродвигателем СК в аварийных ситуациях (обрыв штанг, поломки редуктора, насоса, порыв трубопровода и т. д.), а также самозапуск СК после перерыва в подаче электроэнергии.
Долгое время нашей промышленностью выпускались станки-качалки типоразмеров СК. В настоящее время по ОСТ 26-16-08-87 выпускаются шесть типоразмеров станков-качалок типа СКД.
В шифре, например, СКД8-3,0-4000, указано Д – дезаксиальный; 8 ? наибольшая допускаемая нагрузка Рmax на головку балансира в точке подвеса штанг, умноженная на 10 кН; 3,0 – наибольшая длина хода устьевого штока, м; 4000 – наибольший допускаемый крутящий момент Мкр.max на ведомом валу редуктора, умноженный на 10-2 кН•м.
Имеющаяся моноблочная конструкция небольшой массы делает возможным её быструю доставку (даже вертолетом) и установку без фундамента (непосредственно на верхнем фланце трубной головки) в самых труднодоступных регионах, позволяет осуществить быстрый демонтаж и проведение ремонта скважинного оборудования.
Фактически бесступенчатое регулирование длины хода и числа двойных ходов в широком интервале позволяет выбрать наиболее удобный режим работы и существенно увеличивает срок службы подземного оборудования.
