2.2.3. Гидравлические и пневматические приводы скважинных штанговых насосных установок

Гидропривод (рис. 2.42) 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 б, распределяющему потоки жидкости, и к самому исполнительному механизму 5. Исполнительный механизм может совер­шать возвратно-поступательное движение, как это показано на рис 2.42, 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 соединяют перепускной ка­нал с емкостью 9. В гидроприводе имеется фильтр 3.

Рис. 2.42. Типовая схема гидропривода

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-поршеньковый при использовании в приводе в качестве рабочей жидкости масла. Регулировка режима работы исполни­тельного механизма при схеме гидропривода, приведенной на рис. 2.42, 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. 2.43, а показаны схемы установки фирмы «Викерс» и на рис. 2.43, б установки, разработанные в России [14].

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.

Рис. 2.43. Схемы гидрокачалок

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. 2.43, 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 [14].

Установка имеет следующие основные узлы (рис. 2.44):

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

Рис. 2.44. Штанговая гидроприводная установка с использованием в качестве уравновешивающего груза колонны насосно-компрессорных труб

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 подпорпшевых 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.