4.4.1. Приводы сшну

Привод СШНУ выполняет две основные задачи - привод преобразует энергию двигателя в механическую энергию колонны штанг и создает оптимальный режим работы приводного двигателя. Привод обеспечивает движение точки подвеса штанг по определенному закону, регулирует режим откачки пластовой жидкости за счет изменения длины и частоты хода точки подвеса штанг, пуск и остановку СШНУ, контроль режима работы внутрискважинного оборудования. Он также позволяет использовать двигатели минимальной мощности, на режим нагружения которых закономерность изменения внешней нагрузки должна влиять в минимальной степени.

Привод СШН состоит из следующих основных блоков: силового органа, уравновешивающего устройства и собственно привода. Силовой орган предназначен для перемещения колонны штанг и может быть механическим, состоящим из системы рычагов, канатов и блоков, гидравлическим или пневматическим - с использованием собственно гидро- или пневмоцилиндров.

Сам привод включает двигатель (электромотор или двигатель внутреннего сгорания) и передачу, которая может быть механической или гидравлической. Эти два блока в основном обеспечивают выполнение первой функции привода, выполнение второй обеспечивается уравновешивающим устройством, которое накапливает потенциальную энергию при ходе колонны штанг вниз и отдает энергию при ходе штанг вверх.

Для привода штангового насоса у устья скважины устанавливают тот или иной приводной механизм. На промыслах наиболее распространен индивидуальный балансирный привод с шатунно- кривошипным механизмом - станок-качалка (в соответствии с определением, принятом в ГОСТ-Р это оборудование называется «привод скважинного штангового насоса»).

Основными узлами станка-качалки являются рама, стойка в виде усеченной четырех- или трехгранной пирамиды, балансир с поворотной головкой, траверса с шатунами, шарнирно подвешенная к балансиру, редуктор с кривошипами и противовесами, тормозное устройство электродвигателя. Станок-качалка комплектуется набором сменных шкивов для изменения числа качаний. Для быстрой смены и натяжения ремней электродвигатель устанавливается на поворотных салазках.

Применение уравновешивающего устройства обусловлено тем, что мощность двигателя, приводящего в действие неуравновешенную установку, должна быть в 2-4 раза больше мощности двигателя, приводящего в действие установку, работающую в том же режиме, но полностью уравновешенную [8].

Известны индивидуальные механические приводы и групповые приводы для эксплуатации нескольких скважин. Индивидуальные приводы включают двигатель, трансмиссию (преобразующий механизм) и обеспечивают движение только одной колонны насосных штанг. В настоящее время большинство приводов СШНУ относятся именно к этому типу. Групповые приводы служат для эксплуатации группы (от 2-40) скважин, расположенных близко друг от друга и имеющих сопоставимые рабочие параметры.

В индивидуальном механическом приводе трансмиссия уменьшает частоту вращения вала двигателя до числа оборотов, соответствующего числу двойных ходов точки подвеса колонны штанг. Механизм для преобразования вращательного движения выходного звена трансмиссии в возвратно-поступательное движение точки подвеса колонны штанг обеспечивает кинематическую связь уравновешивающего устройства с точкой подвеса штанг.

Трансмиссия, используемая в индивидуальном приводе, обычно состоит из клиноременной передачи от двигателя к входному валу редуктора и редуктора. Редуктор выполняется двух- или трехступенчатым, с зубчатыми зацеплениями различных типов. Наибольшее влияние на конструкцию установки оказывают тип и кинематическая схема преобразующего механизма. По видам преобразующих механизмов механические приводы делятся на две группы - балансирные и безбалансирные. В балансирных возвратно-поступательное движение точки подвеса штанг достигается использованием качающегося рычага - балансира, который соединяется с выходным валом трансмиссии посредством кривошипно-шатуиного механизма. В свою очередь кривошипно-шатунный механизм может быть со звеньями, имеющими постоянную или переменную длину, изменяющуюся в пределах времени одного цикла работы установки. В безбалансирных приводах возвратно-поступательное движение точки подвеса штанг обеспечивается за счет использования механизмов с гибкими элементами (канаты или цепи) [8].

Рассмотрим основные типы приводов СШНУ с учетом структурной схемы приводов.

В подавляющем большинстве случаев применяют СШНУ, имеющие механический балансирный привод с грузовым, кривошипным или комбинированным уравновешиванием.

На рис. 4.79 показан балансирный станок-качалка с кривошипным уравновешиванием.

Рама 13 изготавливается из профильного проката в виде двух полозьев, соединенных поперечными связями.

Балансир 4 изготовляют из профильного проката двутаврового сечения однобалочным или двубалочным. Головка балансира 15 поворотная. Для ее фиксации в рабочем положении в шайбе головки предусмотрен паз, в который входит клин защелки. Корпус защелки с канатом прикреплен болтами к нижней полке тела балансира. Для освобождения головки клин с помощью рукоятки оттягивается назад.

Опора балансира 5 представляет ось, оба конца которой установлены в сферических роликоподшипниках, расположенных в чугунных корпусах. К средней части оси с квадратным сечением приварена плита, через которую опора балансира соединяется с балансиром.

Траверса 14 изготовляется из прямого профильного проката. С ее помощью балансир соединяется с двумя параллельно работающими шатунами.

Опора траверсы 7 шарнирно соединяет балансир с траверсой. Средняя часть траверсы установлена на сферическом роликоподшипнике, корпус которого болтами прикреплен к нижней полке балансира. Концы оси опоры траверсы зажаты в клеммовых зажимах двух кронштейнов.

Шатун 8 - стальная трубная заготовка, на одном конце которой вварена верхняя головка шатуна, а на другом - башмак, прикрепленный болтами к нижней головке шатуна. 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 гайками.

Кривошип 9 - ведущее звено преобразующего механизма станка- качалки, в котором предусмотрены отверстия для изменения длины хода устьевого штока. На кривошипе установлены противовесы 2, которые перемещаются с помощью съемного устройства, вставляемого в поперечный паз у основания противовеса.

Редуктор 1 двухступенчатый с шевронными зубчатыми колесами, с цилиндрической передачей Новикова. На концах ведущего вала насажены ведомый шкив клиноременной передачи и шкив тормоза 14. На оба конца ведомого вала насажены кривошипы.

Тормоз - двухколодный. Колодки прикреплены к редуктору. На внутренней поверхности колодок имеются ленты из материала «ферао». С помощью стяжного устройства колодки зажимают тормозной шкив, насаженный на ведущий вал редуктора. Стяжное устройство состоит из ходового винта с правой и левой резьбой или двух гаек, закрепленных на подвижных концах колодок. Рукоятка тормоза, насаженная на стяжной винт, вынесена в конец рамы, за электродвигатель.

Электродвигатель 11 - 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 3 состоит из верхней и нижней траверс, двух зажимов каната и зажима устьевого штока. Для установки и подвески гидравлического динамографа в нее вставляют два винта, с помощью которых раздвигают траверсы подвески.

Фундамент 16 может быть монолитным или сборным.

В АзИНнефтехиме им. М. Азизбекова был разработан станок - качалка с фигурным балансиром [8], который по сравнению с безбалансирными станками - качалками имеет следующие преимущества: за счет исключения узлов балансира с головкой и траверсной опоры металлоемкость станка уменьшена примерно на 0,7 т; значительно снижена трудоемкость изготовления, улучшились условия эксплуатации и обслуживания; сложная конструкция узла балансира заменена простой сварной конструкцией фигурного балансира, обеспечивающей освобождение устья скважины при ремонтных на скважине весьма простым и безопасным приемом; использована простая сварная конструкция траверсы без подшипников качения; благодаря простоте конструкции привода и наличию фигурного балансира обеспечиваются более благоприятные условия работы и безопас¬ность труда; сравнительно меньшее число сложных узлов обуслов¬ливает меньшее число очагов отказа, уменьшает количество запас¬ных частей при капитальном ремонте и увеличивает надежность станка - качалки; исключительно влияние эффекта «ножницы» кри¬вошипов и, следовательно, устранен ряд требований к точности из-готовления по ГОСТ 5866-76; существенно уменьшена вибрация; длина фундамента уменьшена на 2 м.

Станок - качалка с фигурным балансиром имеет конструктив¬ную схему, аналогичную стандартному станку-качалке.

Отличие состоит в том, что фигурный балансир выполнен в форме равнобокой трапеции, параллельными сторонами которой являются хорды дуг, образованные радиусами, соответствующими длинам переднего и заднего плеча балансира обычного станка - качалки.

Станки- качалки с фигурным балансиром типа ПФ-8-3,5-4000 достаточно широко применялись на нефтяных промыслах Западной Сибири, однако некоторые недостатки конструкции и низкое качество изготовления привело к практически полному отказу нефтяников от этого вида оборудования.

Производственное объединение «Уралтрансмаш» - одно из крупных современных машиностроительных предприятий, которое сумело наладить выпуск нефтедобывающего оборудования, в том числе - станков-качалок. Машины Уралтрансмаша, не уступая по качеству мировым образцам, выгодно отличаются от них своей ценой.

На заводе разработан новый трехступенчатый редуктор для станка-качалки. Зубчатые колеса высокой точности с эвольвентным зацеплением, с цементацией и профильной шлифовкой поверхности зубьев выполнены из высококачественных материалов с использованием современных технологий. Предусмотрена автоматическая смазка подшипников валов. Механизм плавного перемещения противовесов на кривошипах и поворота головки балансира, устройство фиксации балансира, рабочие площадки на стойке и раме привода - все это создает наилучшие условия для эффективной и безопасной эксплуатации, проведения регламентных работ при обслуживании, переналадке и регулировке агрегатов привода.

В последнее время на «Уралтрансмаш» серийно выпускаются станки-качалки ПШГН8-3-5500, ПШНГ8-3-5500-5, ПШНГ8-3-5500-15.

Учитывая потребности нефтедобытчиков, ПО «Уралмаш» освоил выпуск станков-качалок и редукторов к ним. Применяемые для индивидуального механического привода штанговых насосов при Добыче нефти станки-качалки типа УСК 53-120-3, УСК 53-100-3, УСК 37-80-3, УСК 26-80-2,5 разработаны на основе отечественного и зарубежного опыта с учетом рекомендаций стандартов Американского нефтяного института (API).

Как отмечают специалисты завода, преимуществами, выпускаемых ими станков-качалок, являются:

1. рационально выбранные соотношения геометрических размеров снижают:

• крутящий момент на выходном валу редуктора на 15-20%;

• величину отрицательного момента на 20-30%;

• мощность приводного электродвигателя и потребление электроэнергии на 15-20%;

• ускорения насосных штанг за время цикла, благоприятно сказывающихся на их долговечности, наполнении штангового насоса и производительности;

2. специально разработанные для станков-качалок новые конструкции редукторов позволяют:

• повысить ресурс до капитального ремонта в 2,5...3 раза;

• исключить влияние изгибающих моментов от шатунов с контргруза на зубчатое зацепление в планетарно цилиндрическом редукторе;

• снизить число двойных ходов балансира в минуту для разработки малодебитных скважин;

• улучшить экологические показатели путем исключения утечек масла через уплотнения и при сливе;

3. за счет рационального выбора передаточных отношений и диаметров шкивов значительно улучшаются условия работы клино- ременных передач;

4. обслуживание и эксплуатацию станков-качалок облегчают:

• быстросъемные шкивы на валу электодвигателя и быстроходном валу редуктора;

• устройство для перемещения противовесов на кривошипах;

• устройство для слива масла из редуктора;

• площадки и лестницы для обслуживания;

• простой и надежный тормоз новой конструкции.

В нашей стране станки-качалки выпускает АО «Редуктор»- Основные кинематические размеры этих приводов соответствуют станку-качалке М-1140-143-86 фирмы Lufkin, а параметры и конструкция адаптированы к российским условиям и практике

эксплуатации.

Станки-качалки АО «Редуктор» оснащены надежными редукто¬рами ЦЗНК-450М и ЦЗНК-500М с усиленным выходным валом на подшипниках качения, позволяющим реверсирование. Привод СКМР6-2,5 оснащен быстродействующим дисковым тормозом, шарнирно складывающейся верхней частью (стойка, балансир, траверса, шатуны), ручным приспособлением для перестановки длины хода без применения грузоподъемных средств.

Указанные станки-качалки характеризуются следующими особенностями:

1. редуктор станка трехступенчатый с передаточными числами 63; 90; 125;

2. тормоз дисковый с зубчато-рычажным фиксатором, быстродействующий;

3. натяжение клиновых ремней привода автоматическое;

4. изменение числа качаний ступенчатое от 1,7 до 8,4 в минуту;

5. головка балансира оснащена механизмом поворота и фиксации;

6. рама станка-качалки приспособлена для ее горизонтирования на опорной плите.

По желанию заказчика станки-качалки могут оснащаться площадками для обслуживания узлов балансира. Применение трехступенчатого редуктора типа ЦЗНК снижает потребление электроэнергии в 1,5 - 2 раза.[8].

Основными достоинствами и особенностями редукторов ЦЗНК являются:

• увеличение количества передаточных чисел до трех - 63; 90; 125, позволяющее расширить число качаний сальникового штока качалки в сторону их уменьшения, доведя минимальное до 1,7 качаний в минуту;

• возможность сравнительно быстрого изменения его передаточного числа (в соответствии с эксплуатационной необходимостью), например, с 90 на 125 или наоборот путем замены только зубчатой пары входной ступени (комплект таких зубчатых пар может поставляться по заказу потребителя с редуктором);

• применение вместо шевронной зубчатой передачи, трудоемкой в изготовлении и ремонте, термоулучшенной крупномодульной косозубой передачи с зацеплением Новикова с патентованным исходным контуром, обладающей более высокой нагрузочной способностью, чем с контуром по ГОСТ 15023-76; такая передача проста в изготовлении и надежна в эксплуатации (здесь нужно отметить, что зацепление Новикова требует особой точности при сборке, а именно, параллельность валов);

• для разгрузки подшипников от осевых усилий, на шестернях выходной и промежуточной ступени введены упорные гребни с промежуточным элементом.

Для более равномерного распределения нагрузки выходной вал редуктора четырехопорный на радиальных подшипниках скольжения, более дешевых, надежных в эксплуатации и простых при сборке и разборке по сравнению с подшипниками качения; смазка подшипников скольжения осуществляется от колес по каналам в плоскости разъема корпуса редуктора [8].

Акционерное общество «Мотовилихинские Заводы» ("Motovi- likha") так же освоило выпуск двуплечих балансирных станков- качалок с грузовым уравновешиванием, предназначенных для привода скважинных штанговых насосов.

Американская фирма LUFKIN («Лафкин») производит 8 типов станков-качалок, которые удовлетворяют все монтажные требования и специфические характеристики скважин.

Станок-качалка «МАРК2» (рис.4.80), благодаря его уникальной геометрии и уравновешенной конструкции, снижает пики крутящего момента и требуемую мощность двигателя. Его необычная геометрия обеспечивает более медленное движение головки балансира вверх и ускоренное движение вниз со снижением ускорения при максимальной нагрузке, что обуславливает понижение пиковых нагрузок и повышение срока работы штанги.

• Станок-качалка с роторным уравновешиванием, спроектированный с жесткими требованиями по габаритам, рассчитан для работы на сельскохозяйственных полях, орошаемых передвижными ирригационными системами, или в окрестностях городов, где предпочтительно ограничение по высоте.

• Общепринятый со сбалансированным кривошипом станок- качалка фирмы LUFKIN, широко известен, повсеместно применяется и является старым и надежным «тружеником» нефтяных месторождений. Этот простой в эксплуатации и требующий минимального обслуживания станок-качалка производится фирмой в наибольшем количестве-рис.4.81.

• Станки-качалки с пневматическим уравновешиванием, использование сжатого воздуха в которых вместо тяжелых чугунных противовесов, способствует более точному контролю уравновешивания. В результате вес установки значительно снижается, что существенно уменьшает транспортные и монтажные расходы. Эти станки-качалки имеют определенное преимущество при больших размерах и увеличенных ходах, когда чугунные противовесы на кривошипе должны быть такими массивными, что их использование становится практически невозможным [8]. Кроме того, станок- счалка с передним креплением шатуна(одноплечий балансир) по сравнению с другими имеет преимущества, аналогичные описанным в конструкции МАРК2.

Передвижные станки-качалки «БЕГУН» фирмы LUFKIN (рис. 4.82) являются стандартными независимодействующими станками- качалками, смонтированными на транспортной платформе для его перемещения. Они могут быть смонтированы и начать откачку жидкости из скважины в течение нескольких минут.

Также выпускаются станки-качалки с балансирным уравновешиванием, как и общепринятые эти станки-качалки показывают высокую работоспособность и отвечают условиям экономической целесообразности при эксплуатации неглубоких скважин.

Компания IE (Intemationalexport, Румыния) выпускает станки- качалки «Вулкан», обеспечивающие минимальный уровень пиковых нагрузок и крутящего момента, а также постоянную нагрузку на все подшипники. Конструкция выполнена из массивных стальных брусьев, которые пригодны для тяжелых условий эксплуатации на любых нефтяных скважинах. Для большей прочности привода вся конструкция приварена на основании типа салазок.

К особенностям конструкции этих станков-качалок по мнению изготовителей относятся:

Двух- или трехступенчатые редукторы с зубчатыми передачами по нормативу 11Е API с шевронной зубчатой передачей.

Шатуны, выполненные из тяжелых двухтавровых балок, обеспечивают высокую прочность на скручивание и растяжение, и имеют тяжелые сварные наконечники для соединения с балансиром и пальцем кривошипа.

Балансир жесткой конструкции, обеспечивает одинаковую нагрузку на каждый шатун.

Головка балансира сварной конструкции, которая может быть без усилий отведена на правую сторону балансира устройством с червячной передачей. Эта конструкция обеспечивает легкий и оперативный доступ к устью скважины.

Опора балансира, опора пальца кривошипа и центральная опора снабжены самоцентрирующимися роликовыми подшипниками, которые уменьшают риск ошибок при монтаже.

Уравновешивание осуществляется главным противовесом, который может легко перемещать вдоль кривошипа один человек. Для увеличения эффективности противовеса можно укрепить дополнительные грузы с внутренней стороны главного противовеса.

Основание поставляется двух различных типов: стандартное, используемое для станков-качалок при монтаже на бетонном фундаменте и портативное основание с приварной рамой редуктора, которое позволяет устанавливать станок-качалку прямо на грунт.

Высокое основание двигателя привода, обеспечивающее защиту от попадания в привод воды, песка или снега.

Станки-качалки «Вулкан» поставляются четырех моделей: станок-качалка с передним креплением шатуна, станок-качалка с задним креплением шатуна, балансирный станок-качалка, низкопрофильные станки-качалки.

Одним из возможных решений расширения областей применения СШНУ является применение безбалансирных цепных приводов с механизмом преобразования вращательного движения в возвратно- поступательное с гибкими звеньями. Этот тип преобразующего механизма обладает редуцирующим действием и обеспечивает на большей части хода равномерное движение штанг в отличие от станка-качалки, у которого закон движения близок к гармоническому (рис. 4.83) [9].

В Бугульминском филиале ОАО «ВНИИнефть» были разработаны образцы цепного привода СШНУ (рис. 4.84). Работа на промыслах цепного привода подтвердили, что применение таких приводов для добычи высоковязкой нефти позволяет существенно снизить энергетические затраты на подъем продукции.

Безбалансирные станки-качалки

Приводная часть безбалансирного станка-качалки (см. рис. 4.85) включая редуктор, та же, что и у балансирного станка-качалки. Конструкция кривошипа у безбалансирного станка-качалки несколько иная - V-образной формы, с углом 30°. Последнее улучшает уравновешивание станка, снижает вес контргрузов. Грузы размещаются на кривошипе конструктивно так же, как и на кривошипе балансирного

станка-качалки. Над устьем скважины, на наклонной стойке, расположен ролик, через который проходит гибкая подвеска, подсоединенная к траверсе, которая, в свою очередь, соединена с шатунами Нижняя головка шатуна соединена с кривошипом. Место подсоединения можно изменить для регулировки длины хода точки подвеса штанг так же, как и у балансирного станка-качалки.

Безбалансирные станки-качалки выпускались с нагрузкой на головку балансира в 30 и 60 кН. Длина хода от 0,45 до 5 м. Крутящие моменты на выходном валу редуктора достигают 80 кН*м.

В шифре станков-качалок (например, СБМЗ-1,8-700) приняты следующие обозначения: СБМ - станок безбалансирный механического действия, 3-нагрузка в точке подвеса штанг тс, 1,8 - длина хо¬да м, 700— крутящий момент кГс*м.

Безбалансирные станки-качалки имеют меньшие металлоемкость и габариты по сравнению с балансирными. У них несколько лучшая характеристика движения точки подвеса штанг, при которой отклонения от гармонического колебания меньше, а следовательно, меньше ускорение точки подвеса штанг и инерционные нагрузки в установке. Однако недостаточная надежность гибкой связи сдержи¬вает внедрение этих установок.

В безбалансирном станке-качалке шатун и балансир заменяются гибкой связью. Испытывалась гибкая связь различных конструкций - цепи, гибкая металлическая лента, несколько клиновых ремней, стальной канат. Однако практически все они оказались недолговечные, в связи, с чем требовались частые инерционные операции по замене этих элементов. В связи с этим безбалансирные станки- качалки в последнее время используются для пробной, кратковременной эксплуатации скважин. Уменьшенная масса безбалансирных станков-качалок позволяет сделать это оборудование мобильным. Примером таких конструкций является привод передвижной типа ПКШП-80 см. рис. 4.86.