Штанговые насосные установки с гидроприводом

Как и любой привод штангового скважинного насоса, гидравлический привод может состоять из следующих блоков: силового органа, уравновешивающего устройства, блока привода с коммутирующим устройством, а кроме того, специфичных, характерных только для гидропривода блоков, – систем компенсации утечеки реверсирования. Силовой орган соединяется колонной штанг со скважинным насосом, спущенным в эксплуатационную колонну на колонне НКТ. В гидроприводных установках используются те же способы

уравновешивания, что и в механических.

Принципиально эти установки отличаются способом передачи энергии от двигателя к силовому органу и уравновешивающему устройству. Гидравлическая передача, особенно с объемным гидроприводом, обеспечивает высокое «передаточное отношение» привода при сравнительно небольших его размерах и массе, а также резко упрощает кинематическую схему. При этом становится возможным вообще исключить механизм преобразования движения (четырехзвенннк балансирного станка-качалки), избавиться от редуктора, тормоза и т. д.

В гидроприводных установках вкачестве силового органа-узла для перемещения колонны штанг, как правило, используются гидравлические

цилиндры, а реже – реверсивные гидромоторы. В первом случае шток цилиндра соединяется непосредственно с устьевым штоком колонны штанг, а во втором с помощью гибкой подвески (например, цепной), переброшенной через звездочку, установленную на валу гидромотора.

Уравновешивающее устройство аккумулирует потенциальную энергию либо поднимаемого груза, либо сжатого газа, либо колонны штанг соседней скважины или, наконец, кинетическую энергию маховика.

Блок привода обычно представляет собой двигатель соединенный

непосредственно с валом силового насоса, объемного или гидродинамического действия. В непосредственной близости от него располагается коммутирующее устройство (распределитель), переключающее потоки рабочей жидкости от силового насоса к силовому органу в периоды его реверсирования или остановки. В качестве коммутирующего устройства может использоваться золотниковый распределитель или собственно силовой насос, регулирующий подачу и реверсирующий направления потока жидкости.

В гидроприводе ШСН используются гидросхемы трех типов: открытая, закрытая и комбинированная. В приводе с открытой гидросхемой бак с рабочей жидкостью находится под атмосферным давлением, а подпор на приеме силового насоса обусловлен разницей вертикальных координат бака и приемного патрубка силового насоса.

В приводе с закрытой гидросхемой бак с рабочей жидкостью находится под давлением, соизмеримым с рабочим давлением насоса, это же давление действует на приеме силового насоса. Бак, работающий под избыточным давлением, может быть выполнен в виде отдельного блока, либо его функции выполняет пневматический аккумулятор, часть объема которого постоянно заполнена рабочей жидкостью.

В приводе с комбинированной схемой часть узлов и аппаратов находится под действием постоянного давления, обусловленного давлением сжатого газа в аккумуляторе, а часть – под атмосферным давлением.

Силовым блоком управляет система реверсирования – либо гидравлическая, либо механическая. В первом случае сигнал на переключение распределителя подается жидкостью в трубопроводах, во втором – перемещением всякого рода кулачков, упоров и т. п., взаимодействующих с деталями гидропривода.

Установки с пневматическим уравновешиванием и закрытой схемой гидропривода

Установки с использованием в качестве уравновешивающего устройства гидропневматического аккумулятора выполнялись с гидроприводом по закрытой или комбинированной схеме, в котором использовались как гидродинамические, так и гидро­статические насосы. Тип применяемого насоса на структуру гидравлической схемы существенно не влиял: он определял лишь динамические характеристики установки и, что особенно важно, рабочее давление, а следовательно, габариты и массу элементов установки.

Гидроприводные установки с закрытой схемой (рис. 11.1) включают силовой орган – гидроцилиндр 1, пневматический аккумулятор 8, блок привода – силовой насос 3 и распределительный золотник 7, гидравлическую систему реверсирования, состоящую из кранов 2, установленных на управляющих коммуникациях, обратных клапанов 4, 5 и регулируемого дросселя 6, подключенных к управляющей полости силового золотника 7.

Установка работает следующим образом: при нижнем положении поршня давление жидкости в левой управляющей полости золотника 7 близко к атмосферному. Нижний обратный клапан открыт, и золотник занимает левое положение, т. е. жидкость направляется из аккумулятора на прием силового насоса и далее в нижнюю полость силового цилиндра. Поршень цилиндра вместе с колонной штанг перемещается вверх до тех пор, пока не пройдет мимо одного из верхних окон цилиндра, кран которого открыт. При этом жидкость из подпоршневой полости через открывшийся верхний обратный клапан и дроссель поступит в левую управляющую полость силового золотника и, преодолев усилие возвратной пружины, переместит его в правое положение. Жидкость начнет поступать из цилиндра в аккумулятор. Ход поршня вниз будет продолжаться до тех пор, пока нижнее управляющее окно не соединится с надпоршневой полостью, после чего описанный процесс повторится.

Рисунок 11.1 – Установка с закрытой гидравлической схемой

Плавность переключения силового золотника регулируется дросселем, а длина хода поршня – открытием соответствующего крана верхнего управляющего окна (при закрытых остальных).

Известно много разновидностей конструкций установок, выполненных по данной схеме. В некоторых из них в качестве силового насоса использован центробежный, а в системе реверсирования – золотник с дифференциальными поршнями, что позволило обойтись без обратных клапанов в системе реверсирования и т. п.

Оценивая эти установки, следует отметить, что их простота кажущаяся, поскольку они должны включать, кроме собственно гидропривода, системы компенсации утечек рабочей жидкости и стабилизации давления воздуха. Каждая из них содержит двигатель, компенсационный насос и компрессор, а также систему распределения и автоматики. В установках с закрытой схемой гидропривода бак выполняет функции аккумулятора.

К недостаткам подобных установок относится то, что шток силового цилиндра выполняет функции устьевого штока. Поэтому он находится в контакте с рабочей и пластовой жидкостями, что неизбежно приводит к переносу последней во внутреннюю полость гидросистемы. Загрязнение рабочей жидкости нефтью, минерализованной водой, химически активными компонентами и абразивным материалом, конечно, отражается на надежности и долговечности быстроизнашивающихся элементов гидропривода.

Установка с пневматическим уравновешиванием и комбинированной гидравлической схемой

Установка (рис. 11.2) включает силовой орган – гидроцилиндр 1, шток которого соединен с колонной штанг. Его нижняя полость соединена с верхней полостью верхнего промежуточного цилиндра 2, а подпоршневая полость последнего – с газовым аккумулятором 3. Полости нижнего промежуточного цилиндра через силовой распределитель 5 попеременно соединяется с силовым насосом 4 и баком 6. Установка работает следующим образом: система реверсирования управляет силовым насосом, обеспечивая необходимую подачу жидкости и направление потока. При подходе к крайним положениям направление потока жидкости изменяется на противоположное.

Давление азота в газовом аккумуляторе 3 подбирается таким, чтобы нагрузка на двигатель при ходе штанг вверх и вниз была бы постоянной.

Рисунок 11.1 – Установка с комбинированной схемой

Несмотря на ряд недостатков: сложность конструкции, значительные габариты и массу, некоторые неудобства в обслуживании – установки с пневматическим уравновешиванием имеют более высокие показатели, чем балансирные, прежде всего заключающиеся в увеличении длины хода точки подвеса штанг.

Разработка и накопленный опыт эксплуатации этих установок

позволили перейти к созданию компактного объемного гидропривода штангового скважинного насоса.

Гидроприводные штанговые насосные установки с уравновешиванием колонной насосных труб

Особое место среди гидроприводных установок занимают приводы с использованием колонны НКТ в качестве уравновешивающего груза, для чего эта колонна подвешивается к уравновешивающему цилиндру. Помимо этого принципиальная схема установки обеспечивает возможность компоновки всех ее узлов в виде моноблока, монтируемого непосредственно на колонной головке скважины. Таким образом, впервые устраняется необходимость в фундаменте. Установка состоит из наземной и подземной частей – собственно привода, т. е. станка-качалки, и внутрискважинного оборудования (рис.11.3). Привод имеет корпус (на рисунке не показан), монтируемый на колонной головке скважины.

В верхней части корпуса размещен силовой орган – штанговый гидроцилиндр 1, поршень 2 которого соединен штоком 3 и колонной штанг 12 с плунжером 14 скважинного насоса Ниже силового органа располагается уравновешивающее устройство – трубный гидроцилиндр 4, поршень которого соединен полым сквозным штоком 5, тягами 7, траверсой 11 с колонной НКТ 13, в нижней части которой расположен цилиндр 15 скважинного насоса. Цилиндр 4 снабжен также фальштоком 6, позволяющим изменять эффективную площадь его поршня.

Рисунок 11.3 – Схема установки с использованном НКТ в качестве уравновешиваемого груза

Силовой блок включает в себя насос 9 для подачи рабочей жидкости из бака 10 через распределитель 8 попеременно в верхние полости цилиндров 1 и 4,На выходе насоса установлен переливной клапан 16. Пластовая жидкость отводится из НКТ в промысловый коллектор гибким шлангом 17.

Установка работает следующим образом: подаваемая насосом из бака жидкость через распределитель направляется попеременно в верхние полости штангового 1 и трубного 4 цилиндров. В результате их поршни совершают синхронное оппозитное движение, перемещая колонну штанг и труб в противоположных направлениях. Сумма абсолютных перемещений штанг и труб соответствует ходу штанг относительно труб, т. е. без учета их деформаций, плунжера относительно цилиндра скважинного насоса.

Уравновешивание установки достигается подбором такого соотношения длин ходов поршней цилиндров, при котором загрузка двигателя при ходе штанг вверх и вниз будет постоянной.

Рабочий цикл скважинного насоса совершается за двойной ход штанг (труб). Пластовая жидкость поднимается по колонне насосно-компрессорных труб и отводится гибким шлангом 17 в промысловый коллектор.

Уравновешивание гидроприводных установок, как и установок с механическим приводом, необходимо для обеспечения эксплуатации установки с двигателем минимально возможной мощности.

Объемный гидропривод позволяют использовать в качестве уравновешивающих устройств аккумуляторы различных типов. Расчет уравновешивания гидроприводных установок заключается в определении момента инерции маховика и т. п.), при которых будет параметров

уравновешивающего устройства (давления в аккумуляторе, обеспечен необходимый режим работы приводного двигателя.