Гидравлические и пневматические приводы скважинных штанговых насосных установок

Гидропривод (рис. 5.9.) скважинной штанговой насосной установки состоит из двигателя с силовым насосом 1, 2, подающего рабочую жидкость (обычно масло) к органам, регулирующим режим работы исполнительного механизма, т.е. к регулируемому дросселю 4 и перепускному клапану 7, а затем к золотнику 6, распределяющему потоки жидкости, и к самому исполнительному механизму 5. Исполнительный механизм может совершать возвратно-поступательное движение, или вращательное. При возвратно-поступательном движении рабочая жидкость подается последовательно к полости цилиндра исполнительного механизма по одну и по другую сторону поршня, или периодически в одну полость цилиндра. Далее жидкость отводится от исполнительного механизма через золотник в емкость 9, из которой она вновь забирается насосом. Емкость может быть негерметичной, и тогда у приема насоса поддерживается атмосферное давление. При герметичной емкости 10 в ней может поддерживаться повышенное давление. Применение герметичной емкости облегчает создание равномерной загрузки привода насоса за рабочий цикл — ход поршня в одну и другую сторону. Емкости обычно оборудованы фильтрами, магнитными уловителями металлических продуктов износа, стружек. В схеме предусмотрен предохранительный клапан 8, который при повышенном опасном давлении соединяет перепускной канал с емкостью 9. В гидроприводе имеется фильтр 3.

Управление золотником 6 может быть ручное и автоматическое. В последнем случае привод золотника управляется сигналами, поступающими от механических датчиков, расположенных на штоке исполнительного механизма, или датчиков давления, подключенных к трубопроводам системы. Насос в гидроприводе обычно аксиально-поршневой при использовании в приводе в качестве рабочей жидкости масла. Регулировка режима работы исполнительного механизма при схеме гидропривода, приведенной на рис. 5.9., выполняется следующим образом. Уменьшая проходное сечение в регулируемом дросселе 4, повышают сопротивление потоку в нем и в трубопроводе, расположенном между насосом и дросселем. При повышении давления перепускной клапан 7 приоткрывается и перепускает часть жидкости, подаваемой насосом 2, на сброс в емкость 9. В результате к исполнительному механизму будет поступать меньше жидкости, и скорость передвижения поршня исполнительного механизма уменьшится. Открывая дроссель и уменьшая в нем сопротивление, можно ускорить движение поршня 5. При изменении нагрузки на исполнительный механизм автоматически меняется давление на выкиде насоса и при соответствующей регулировке перепускного клапана сохраняется или изменяется режим его работы.

Гидро- и пневмопривод установок штанговых насосов в принципе имеют одну схему основного узла, приводящего штанги в движение. Штанги соединяются штоком с поршнем, расположенным в цилиндре. Шток проходит через сальник. Подавая жидкость или воздух высокого давления под поршень, осуществляют движение штанг вверх. Вниз штанги движутся под действием сил тяжести так же, как и при механическом приводе.

Пневмопривод применяется некоторыми зарубежными фирмами в скважинах с малой глубиной подвески насоса и при малых подачах.

Гидропривод получил более широкое применение.

На рис. 5.10., а показаны схемы установки фирмы «Викерс» и на рис. 5.10, б установки, разработанные в России.

Приводной цилиндр 3 с поршнем крепится на фланце скважины. К поршню подсоединен полированный шток 2, проходящий через сальник 1. На штоке подвешена колонна штанг. В установке имеется система гидропривода А, подающего жидкость попеременно в рабочую полость цилиндра и в уравновешивающий аккумулятор 5. Уравновешивающий аккумулятор в гидроприводе позволяет создать равномерную загрузку приводного электродвигателя и уменьшить потребляемую мощность.

Насос системы гидропривода подает рабочую жидкость под поршень, поднимая колонну штанг.

Рабочая жидкость при этом поступает на прием насоса под напором из аккумулятора, где поддерживается постоянное давление. Давление поддерживается сжатым газом, находящимся над уровнем жидкости в аккумуляторе. В конце хода вверх элементы управления 4 установкой переключают систему гидропривода на подачу рабочей жидкости из рабочего цилиндра в аккумулятор. При этом опускающиеся штанги тянут поршень 3 вниз, и он создает давление жидкости в цилиндре, подавая ее на прием силового насоса системы гидропривода. Таким образом, насос работает с подпором и при подаче рабочей жидкости в аккумулятор. Давление рабочей жидкости в аккумуляторе подбирается в таких пределах, чтобы двигатель работал с постоянной мощностью при ходе штанг вверх и вниз.

Для обеспечения стабильности работы системы уравновешивания в схеме установки фирмы «Викерс» имеется компрессор 7 для поддержания постоянного давления в аккумуляторе и пополнения утечек газа. Утечки рабочей жидкости пополняются вспомогательным насосом 6.

Схема, принятая для уравновешивания, использует вес НКТ. Для этого на скважине имеется уравновешивающий цилиндр 8, в котором на поршне 9 подвешены НКТ. Система гидропривода подает жидкость попеременно в рабочий и уравновешивающий цилиндры, а вес штанг или НКТ создает подпор на приеме насоса системы гидропривода. Конструктивно эта установка выполнена так, что все оборудование, включая систему управления и бак с рабочей жидкостью, крепится на фланце обсадной колонны скважины.

Установки с гидроприводом обеспечивают большие длины хода плунжера скважинного насоса, управление набором скорости штангами, легкое регулирование режима работы штанговой установки (изменение числа ходов). При гидроприводе металлоемкость установки резко сокращается.

При больших длинах хода штанг длина движения НКТ у гидрокачалки (см. рис. 5.10, б) невелика, примерно 0,5 м, так как диаметр уравновешивающего поршня значительно больше диаметра поршня рабочего цилиндра. Конечно, движение НКТ при длительной эксплуатации таких установок может привести к истиранию муфт НКТ и порче обсадных колонн. Но небольшие скорость и длина хода НКТ позволяют авторам этой конструкции говорить о необоснованности таких опасений.

Применение гидропривода требует значительно большего внимания при обслуживании установок, чем балансирные станки качалки. Особого внимания требуют уплотнения движущихся частей и насос системы гидропривода. Поэтому установки с гидроприводом, несмотря на малую металлоемкость, видимо будут неконкурентоспособны с балансирными станками-качалками малой мощности при длинах хода до 2,5—3,5 м.

Основные параметры с гидроприводом следующие: установка АГН-Л имеет наибольшую длину хода точки подвеса штанг 2,2 м, нагрузку до 60 кН, массу 1550 кг; установка АГН-С имеет соответственно 3,5 м, 80 кН и 2000 кг.

Установка имеет следующие основные узлы (рис. 5.11).

1. Силовой орган гидроцилиндр 7, поршень 2 которого посредством штока 3 и колонны штанг 4 связан с плунжером глубинного насоса 5.

2. Уравновешивающее устройство — трубный гидроцилиндр 6, поршень которого связан штоком 7 с верхней траверсой и двумя тягами 8. Последние в свою очередь посредством нижней траверсы соединены с колонной насосно-компрессорных труб 9, к нижней части которой крепится цилиндр глубинного насоса 10.

3. Привод, состоящий из силового насоса 11, перекачивающего жидкость из бака 12 попеременно в верхние полости гидроцилиндров. Коммутация потоков, жидкости осуществляется силовым золотником 13. Кроме того, установка имеет систему реверсирования (на схеме не показана), переключающую силовой золотник при достижении поршнями крайних положений, а также систему компенсации утечек, обеспечивающую постоянство объема рабочей жидкости в подпоршневых полостях гидроцилиндров.

Установка работает следующим образом: подаваемая насосом из бака рабочая жидкость через золотник направляется в верхнюю полость штангового гидроцилиндра. При этом поршень перемещается вниз, а вместе с ним и шток, колонна штанг и связанный с ней плунжер. Рабочая жидкость из нижней (штоковой) полости цилиндра по трубопроводу вытесняется в нижнюю полость трубного цилиндра и перемещает его поршень вверх. Вместе с ним перемещается вверх и связанный посредством штока, тяг и колонны насосно-компрессорных труб цилиндр глубинного насоса. Таким образом, плунжер движется вниз, а колонна труб вверх — происходит ход всасывания. При подаче рабочей жидкости в верхнюю полость трубного гидроцилиндра поршень, а вместе с ним колонна НКТ и цилиндр глубинного насоса перемещаются вниз. Рабочая жидкость из подпоршневой полости трубного цилиндра вытесняется в штанговый цилиндр, поршень которого перемещается вверх. Вместе с поршнем перемещается колонна штанг и связанный с ней плунжер глубинного насоса. Плунжер при этом перемещается вверх, а цилиндр вниз — происходит ход нагнетания.

Для соединения подвижной колонны насосно-компрессорных труб с трубопроводом применяется гибкий шланг 14. Герметизация колонны насосно-компрессорных труб осуществляется посредством уплотнения, через который пропущен шток штангового цилиндра. Герметизация затрубного пространства осуществляется посредством уплотнения, установленного на фланце обсадной колонны.

Как следует из описания установки, для ее нормальной работы необходимо поддерживать объем рабочей жидкости в подпоршневых полостях постоянным. Для компенсации утечек, как во внутренние полости цилиндров, так и в атмосферу в установке предусмотрена система компенсации утечек, состоящая из управляющего клапана и вспомогательного насоса. При уменьшении объема рабочей жидкости меньше допустимого поршень штангового цилиндра сжимает клапан, который в свою очередь включает вспомогательный насос, заполняющий маслом подпоршневую полость до необходимого объема.