1 Анализ существующих конструкций установки скважинного штангового насоса в России
В России приводы штанговых скважинных насосов выпускаются по ГОСТ Р 51763-2001, устьевые сальники — по ТУ 26-16-6-76, насосно-компрессорные трубы и муфты к ним — по ГОСТ 633-80, штанги — по ГОСТ 13877-80, скважинный насос и замковые опоры — по ГОСТ Р 51896-2002. Дебит скважин — от десятков килограмм в сутки до нескольких тонн. Насосы опускают на глубину от нескольких десятков метров до 3000 м иногда до 3200 — 3400 м.
ШСНУ 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.
Штанговая глубинная насосная установка (рис.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).
Рисунок 1.1 - Схема штанговой насосной установки
1.1 Станок - качалка
В настоящее время изготавливаются станки-качалки 13 типоразмеров. Основные параметры и их размеры приведены ниже (табл.1.1, 1.2, 1.3, 1.4).
Таблица 1.1 - Параметры станков-качалок
Показатель СК3-1,2-630 СК5-3-2500 СК6-2,1-2500 СК12-2,5-4000 СК8-3,5-400 СК8-3,5-5600 СК10-3-5600
Номинальная нагрузка (на устьевом штоке), кН 30 50 60 120 80 80 100
Номинальная длина хода устьевого штока, м 1,2 3 2,1 2,5 3,5 3,5 3
Номинальный крутящий момент (на выходном валу редуктора), кН*м 6,3 25 25 40 40 56 56
Число ходов балансира в минуту 5-15 5-12
Редуктор Ц2НШ-315 Ц2НШ-450 Ц2НШ-750Б Ц2НШ-560
Габариты, мм, не более:
длина
ширина
высота
4125
1350
3245
7380
1840
5195
6480
1840
4960
7450
2246
5730
8450
2246
6210
8450
2246
6210
7950
2246
5835
Масса, кг 3787 9500 8600 14145 14200 14245 14120
Таблица 1.2 - Параметры дезаксиальных станков-качалок
Таблица 1.3 - Техническая характеристика редукторов
Таблица 1.4 - Техническая характеристика станков-качалок
Каждый тип станка-качалки характеризуется максимальными допускаемыми нагрузками на устьевой шток, длиной хода устьевого штока и крутящим моментом на кривошипном валу редуктора, числом двойных
Станок-качалка является индивидуальным приводом скважинного насоса. Основные узлы станка-качалки:
— рама из профильного проката изготовлена в виде двух полозьев, соединенных поперечными связями;
— стойка из профильного проката, четырёхногая;
— балансир изготовлен из профильного проката двутаврового сечения (однобалочной или двубалочной конструкции);
— головка баланси¬ра (поворотная или откидывающаяся вверх). Для ее фиксации в рабочем положении в шайбе головки предусмотрен паз, в который входит клин защелки;
— опора балансира (ось, оба конца которой установлены в сферических роликоподшипниках). К средней части от квад¬ратного сечения приварена планка, через которую опора ба¬лансира соединяется с балансиром;
— траверса (прямая) изготовлена из профильного проката. С ее помощью балансир соединяется с двумя параллельно работающими ша-тунами. Опора траверсы шарнирно соединяет балансир с травер¬сой. Средняя часть оси установлена в сферическом ролико¬подшипнике, корпус которого болтами прикреплен к нижней полке балансира;
— шатун - это стальная трубная заготовка, на одном конце кото¬рой вварена верхняя головка шатуна, а на другом - башмак. Палец верхней головки шатуна шарнирно соединен с травер¬сой. Палец кривошипа конусной поверхностью вставляется в отверстие кривошипа и затягивается с помощью гаек;
— кривошип - ведущее звено преобразующего механизма станка-качалки. В нем предусмотрены отверстия для измене¬ния длины хода устьевого штока. На кривошипе установлены противовесы, которые могут перемещаться;
— редуктор (типа Ц2НШ) представляет собой совокупность двух пар цилиндрических шевронных зубчатых передач, вы¬полненных с зацеплением Новикова. Изготовление редуктора должно отвечать требованиям ОСТ 26-02-1200-75 из таблицы 1.3. Валы цилиндрических зубчатых передач лежат в плоскости разъема корпуса и крышки редуктора. Для равномерного рас-пределения нагрузок на валы и подшипники принято симмет¬ричное расположение зубчатых колес и опор. Опоры ведущего и промежуточного валов выполнены на роликоподшипниках с короткими цилиндрическими роликами, а ведомого вала на ро¬ликоподшипниках двухрядных сферических. На конце ведуще¬го вала насаживаются шкивы тормоза и клиноременной пере-дачи, положение которых после определенного срока эксплуа¬тации необходимо менять для увеличения общего срока службы ведомого колеса редуктора. Для этого на обоих концах ведомо¬го вала имеются по два шпоночных паза. Смазка зубчатых колес и подшипников валов осуществляет-ся из ванны корпуса редуктора;
— тормоз - двухколодочный. Правая и левая колодки при¬креплены к редуктору. С помощью стяжного устройства колод¬ки зажимают тормозной шкив, насаженный на ведущий вал редуктора. 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 кон¬це рамы станка-качалки. К поворотной плите поперечно прикреплены болтами двое салазок, на которые устанавливается электродвигатель. Рама с салазками поворачивается вращением ходового винта;
— электро¬двигатель – привод СК, трехфазный короткозамкнутый, асинхронный с повышенным пусковым моментом во влагоморозостойком испол¬нении, со скоростью вращения вала 750, 1000 и 1500 мин1. На валу электродвигателя установлена конусная втулка, на которую насажен ведущий шкив клиноременной передачи;
— блок управления, обеспечивающий 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.
Монтируется станок-качалка на раме, устанавливаемой на железобетонное основание (фундамент). Фиксация балансира в необходимом (крайнем верхнем) положении головки осуществляется с помощью тормозного барабана (шкива). Головка балансира откидная или поворотная для беспрепятственного прохода спускоподъемного и глубинного оборудования при подземном ремонте скважины. Поскольку головка балансира совершает движение по дуге, то для сочленения ее с устьевым штоком и штангами имеется гибкая канатная подвеска. Подвеска устьевого штока типа ПСШ грузоподъемностью 3, 5, 10 тонн состоит из верхней и нижней траверс, двух зажимов каната и зажима устьевого штока. Она позволяет регулировать посадку плунжера в цилиндр насоса для предупреждения ударов плунжера о всасывающий клапан или выхода плунжера из цилиндра. Для установки в подвеске гидравлического динамографа в нее вставляют два винта, с помощью которых раздвигаются траверсы подвески.
Амплитуду движения головки балансира (длина хода устьевого штока — 7 на рис. 1.1) 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.
1.1.1 Станок-качалка с одноплечным балансиром
В связи с появлением на промыслах большого количе¬ства зарубежного оборудования можно встретить станки-качалки с одноплечным балансиром типа МАРК фирмы "Lufkin" (США), а также отечественных производителей (привод ПШГНО 6-2,5, Уралтрансмаш, г. Екатеринбург) На рисунке 1.2 представлен станок-качалка с одноплечным балансиром. Особенностью подобных приводов является использование кинематической схемы с одноплечным балансиром. Подобное выполнение станков-качалок обусловлено рядом причин. Так, эти станки-качалки имеют более благоприятный за¬кон движения точки подвеса штанг, позволяющий несколько уменьшить динамические нагрузки на штанговую колонну. Ес¬ли сравнить два станка-качалки с одинаковыми длинами и со¬отношениями кинематических звеньев, один из которых обыч¬ный станок-качалка, а второй - с одноплечным балансиром, то у последнего максимальные нагрузки в точке подвеса штанг (ТПШ) будут несколько меньше (около 8-10 %, по исследовательским данным). Одноплечный станок-качалка имеет также более пологую кривую скорости точки подвеса штанг, позволяющую существенно (около 35 %) снизить амплитуду колебаний штанг, а, следова¬тельно, и их динамическое нагружение и тем самым увеличить срок работы штанговой колонны. Рассмотрим последний вывод более подробно.
Рисунок 1.2 - Станок-качалка с одноплечным балансиром:
1 – ограждение; 2 – шатун; 3 – подвеска устьевого штока; 4 – стяжка; 5 – балансир с опорой; 6 – траверса; 7 – винт установочный; 8 – стойка; 9 – противовес; 10 – кривошип; 11 – электродвигатель; 12 – шкив ведущий; 13 – плитка поворотная; 14 – рычаг тормоза; 15 – рама; 16 – ремень; 17 – шкив ведомый; 18 – редуктор.
Известно, что вследствие упругих деформаций штанг и труб, после начала движения точки подвеса штанг вверх, плунжер остается неподвижным относительно цилиндра. После того как произойдет вытяжка штанг и сокращение труб, дви¬жение от ТПШ передается плунжеру, причем за это время ТПШ успевает набрать определенную скорость. В результате плунжер резко страгивается с места и нагружается столбом жидкости в трубах в виде импульса силы, т.е. возникают продольные свободные колебания системы: штанговая колонна — столб жидкости. У станков-качалок с одноплечным балансиром, в сравнении с обычными станками-качалками, ТПШ в момент страгивания плунжера успевает набрать меньшую скорость, что, как уже указывалось, позволяет существенно снизить амплитуду колебаний штанг и уменьшить их динамическое нагружение.
Интересно отметить, что у подобных станков-качалок на¬правление вращения кривошипа обратное, т.е. против часовой стрелки (устье слева), что также позволяет несколько умень¬шить динамические нагрузки.
Другим достоинством подобных станков-качалок является их компактность, а, следовательно, и меньший вес, в результате чего их применение более предпочтительно при больших на¬грузках на полированный шток. Однако они имеют и недостатки, препятствующие их широ¬кому распространению. Это, прежде всего, их малая боковая устойчивость, т.е. большая высота при малой ширине. У по¬добных станков-качалок кривошипы с грузами находятся в опасной близости от устья скважины, что затрудняет их тех¬ническое обслуживание и ремонт. При балансировке подобных станков-качалок требуется большой вес кривошипных грузов, так как вес самого кривошипа приложен к балансиру со сто¬роны скважины по отношению к стойке балансира.
1.1.2 Станок-качалка с дезаксиальным кривошипно-шатунным механизмом
Наряду с аксиальными (обычными) кривошипно-шатунными механизмами (станки-качалки типа СК), у нас в стране выпу¬скаются станки-качалки с дезаксиальной схемой (типа СКД) в таблице 1.2. За рубежом (в особенности в США) практически все станки-качалки выпускаются с небольшим дезаксиалом.
Дезаксиал h определяется местом расположения кривошип¬ного центра (точки 0) относительно прямой В1В2 (рис.1.3), где В1 и В2 — крайнее верхнее и нижнее положения криво¬шипа. Если точка 0 расположена на прямой В1В2, то механизм аксиальный (обычный), если справа от прямой В1В2, то меха¬низм с отрицательным дезаксиалом, если слева, то механизм с положительным дезаксиалом. Основное их отличие в том, что у аксиального станка-качалки время хода ТПШ вверх и вниз равно. Поэтому такие станки-качалки называют симметричными. Однако нагружение ТПШ за время хода вверх и вниз разное, что обусловлено работой штангового насоса. При ходе вверх станок-качалка производит работу по поднятию штанго¬вой колонны и столба жидкости, при ходе вниз штанговая ко¬лонна идет под собственным весом, а вес столба жидкости пе¬редается на трубы. Очевидно, что если средняя скорость дви-жения ТПШ при ходе вверх будет меньше, чем при ходе вниз, то это позволит уменьшить ускорения, а, следовательно, и ди¬намические нагрузки, действующие на штанговую колонну при ходе вверх, т.е. в тот период, когда она наиболее нагружена. Исходя из этих соображений станки-качалки выполняют с небольшим отрицательным дезаксиалом, у которых время хода вверх больше времени хода вниз. Слишком большой дезаксиал также нежелателен, так как при этом происходит увеличение утечек через плунжер при ходе вверх, появляется возмож¬ность зависания колонны штанг в трубах при ходе вниз за счет большей скорости спуска, особенно при ее работе в на-клонно направленных скважинах и скважинах с отклонениями парафина или гидратов.
Рисунок 1.3 - Кинематическая схема преобразующего механизма дезаксиальных станков-качалок
1.1.3 Безбалансирный станок-качалка
Балансирный привод станка-качалки имеет недостаток — точка подвеса штанг совершает сложное движение, что вызы¬вает рост динамических нагрузок на штанговую колонну. С целью их уменьшения применяется безбалансирный станок-качалка, в котором шатун и балансир заменяются гибкой свя¬зью - стальным канатом. Приводная часть безбалансирного станка-качалки (включая редуктор) аналогична балансирному. Конструкция кривошипа V-образной формы, с углом 30°. Над устьем скважины, на на-клонной стойке расположен ролик, через который переброше¬на гибкая подвеска, соединенная с шатунами. Нижняя головка шатуна соединена с кривошипом. Безбалансирные станки-качалки рассчитаны на нагрузку 30 и 60 кН, длину хода от 0,45 до 5 м и крутящий момент до 80 кН-м. Они имеют мень¬шие габариты и металлоемкости по сравнению с балансирным. Недостатком является малая надежность гибкой связи.
Гидро- и пневмопривод штанговых установок приводят в движение штанги через шток с поршнем, расположенным в цилиндре. Гидро- и пневмопривод позволяют получить более благоприятный закон движения точки подвеса штанг (ТПШ). Пневмопривод обычно используется малой мощности, т.е. для скважин с малой глубиной подвески и малой подачей. Гидропривод (гидрокачалка) более широко известен и представлен на рисунке 1.4.
Рисунок 1.4 - Схема гидропривода штангового насоса фирмы «Викерс» (США) и типа АГН.
Приводной цилиндр (3) с поршнем крепится на фланце об¬садной колонны скважины. С поршнем соединен полирован¬ный шток (2), проходящий через сальник (1). К штоку подвешена колонна штанг. Жидкость подается попеременно в рабочую полость цилиндра и уравновешивающий аккумулятор (5). Рабо¬чая жидкость при ходе штанг вверх поступает на прием насо¬са системы гидропривода (А) над напором из аккумулятора, где поддерживается постоянное давление сжатым газом над уровнем жидкости в аккумуляторе. В конце хода вверх элементы управления (4) переключают систему на подачу рабочей жидкости из рабочего цилиндра в аккумулятор. Под действием веса штанг жидкость поступает на прием силового насоса. Для поддержания давления жидкости и газа в аккумуляторе имеют¬ся компрессор (7) и насос (6). По схеме АГН уравновешивание происходит за счет веса НКТ. Для этого используется уравно¬вешивающий цилиндр (8), в котором на поршень (9) подвешены НКТ. Установки с гидроприводом обеспечивают большие дли¬ны хода глубинного насоса, легкость регулирования режима работы и малую металлоемкость.
В последнее время гидрофицированный привод ЛП-114 пред¬ложен заводом "Мотовилиха" (г. Пермь). Схема ЛП-114 аналогична схеме (см. рис. 1.4 а). Такие приводы ра¬ботают в Западной Сибири (г. Сургут). Уравновешивание произ¬водится гидроаккумулятором. АО «Мотовилихинские заводы» выпускает привод штангового насоса гидрофицированный ЛП — 114.00.000, разработанный совместно со специалистами ПО «Сургутнефтегаз». Моноблочная конструкция небольшой массы делает возможным его 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.
Станки-качалки для временной добычи могут быть передвижными (на пневматическом или гусеничном ходу). Пример — передвижной станок-качалка «РОУДРАНЕР» фирмы «ЛАФКИН».
1.2 Устьевое оборудование
Для герметизации устья насосных скважин (затрубного пространства, внутренней полости НКТ), подвески насосно-компрессорных труб, а также для проведения технологических операций, ремонтных и исследовательских работ в скважинах, предусмотрено оборудование устья насосных скважин. В оборудовании устья колонна насосно-компрессорных труб в зависимости от ее конструкции подвешивается в патрубке планшайбы или на корпусной трубной подвеске.
Для оборудования устья скважин выпускаются: ОУ140-146/168-65А - оборудованные устья насосных скважин, периодически фонтанирующих, с концентрической подвеской колонны НКТ относительно оси скважины; ОУ140-146/168-65Б - то же, для скважин с эксцентрической подвеской труб.
В состав оборудования ОУ входят устьевой сальник СУС2 с двойным уплотнением и пробковые краны КППС65-140. В ка¬честве запорных устройств применяют пробковые краны от фонтанной арматуры с уплотнительной смазкой на 14 МПа. Подъемная колонна смещена относительно оси скважины. В трубной головке ОУ типа Б предусмотрен патрубок с задвижкой для установки лубрикатора и спуска исследо¬вательских приборов в затрубное пространство. Для перепус¬ка газа из затрубного пространства в выкидную линию в обвязке предусмотрен обратный клапан. Затвор обратного клапана (седло и шарик) использован от скважинного насоса.
Наиболее распространенным элементом оборудовани¬ем устья скважин на промыслах является устьевой сальник, служащий для уплотнения сальникового штока. Отличительная особенность сальника – наличие пространственного шарового шарнира между головкой сальника (несущей внутри себя уплотнительную набивку) и тройником. Шарнирное соединение, обеспечивая самоустановку головки сальника при несоосности сальникового штока с осью ствола скважины, уменьшает односторонний износ набивки, увеличивает срок службы сальника. Сальник рассчитан на повышенные давления на устье скважины и обеспечивает надёжное уплотнение штока при однотрубных системах сбора нефти и газа.
Устьевые сальники (табл. 1.5) изготавливают двух типов: СУС1 – с одинарным уплотнением (для скважин с низким статическим уровнем и без газопроявлений); СУС2 – с двойным уплотнением (для скважин с высоким статическим уровнем и с газопроявлениями).
Взамен устьевых сальников типов СУС1 и СУС2 в настоящее время выпускаются устьевые сальники типов СУС1А и СУС2А, в конструкции которых внесены некоторые изменения, так например, вместо откидных болтов в узле шаровой головки использована накидная гайка и др.
Устьевой сальник СУС2А в отличие от СУС1 имеет двой¬ные уплотнения и три ряда направляющих втулок. Устьевой сальник с двойным уплотнением позволяет менять изношенные верхние уплотнительные элементы без разрядки скважины за счет нижнего уплотнения - буферной манжеты. Изношенные направляющие втулки, как правило, меняют при текущем ремонте скважин. При установке устьевых сальников на устье все резиновые кольца и уплотнительные набивки должны смазываться густой смазкой.
Разбирать шаровую крышку и отделять головку от тройника без необходимости не рекомендуется. При потере герметичнос¬ти в шаровой опоре заменяют уплотнительные кольца в усло¬виях мастерской.
Таблица 1.5 - Техническая характеристика устьевых сальников
