С ростом числа малодебитных скважин (с дебитом не более 5 м3/сут) все острее вставала проблема их оптимальной эксплуатации. Использование периодической эксплуатации связано с целым рядом существенных неблагоприятных факторов, в числе которых: неравномерная выработка пласта, неэффективное использование наземного и подземного оборудования, недостаточный межремонтный период по сравнению с непрерывно функционирующими скважинами, затруднения, возникающие в зимнее время и др.
Была разработана конструкция тихоходного станка-качалки с увеличенным передаточным числом за счет введения в трансмиссию дополнительной ременной передачи, что позволяло снизить частоту качаний балансира до 0,8—1,7 в минуту. Для этого между электродвигателем и редуктором монтируется промежуточный вал с соответственно малым и большим по диаметру шкивами, установленными консольно. Компоновка промежуточного вала может быть вертикальной и горизонтальной ( рис.2.14). В последнем случае раму станка-качалки приходится немного наращивать на величину межосевого расстояния дополнительной ременной передачи. Такой вариант применяется на станке-качалке 7СК8-3,5-4000Ш.
Конструктивное решение с дополнительной передачей отличается простотой, позволяет применять его к любому станку-качалке и допускает изготовление необходимых деталей силами добывающих предприятий. Однако рассматриваемый конструктивный вариант можно было считать удачным только относительно, для условий отсутствия серийных тихоходных приводов.
Другим решением стало применение в приводе мотор-редуктора с передаточным числом i = 2,3. Если станок-качалка типа 7СК8-3,5-4000Ш имеет число качаний п = 3,8—12, то с мотор-редуктором — до 2,5. При этом для работы вместо двигателя мощностью в 30 кВт используется двигатель мощности 18,5 кВт.
Конструкция мотор-редуктора представлена на рис. 2.15.
На удлиненном валу электродвигателя установлена шестерня, работающая в паре с зубчатым колесом. Пара зубчатых колес сменная, позволяет изменять передаточное число мотор-редуктора. Выходной конец ведомого вала имеет стандартные присоединительные размеры для посадки сменных шкивов клиноременной передачи.
Тихоходные станки-качалки с трехступенчатым редуктором (рис. 2.16) разработаны АзИНМАШем. Компоновка трансмиссии такого станка-качалки отличается отсутствием ременной передачи, что компенсируется применением трехступенчатого редуктора с передаточным числом i = 165. Редуктор непосредственно, с помощью муфты, соединяется с электродвигателем. При этом приходится применять угловую передачу, поэтому редуктор имеет коническо-цилиндрическую конструкцию с быстроходной конической ступенью [11].
Отсутствие ременной передачи не позволяет регулировать частоту хода балансира, поэтому в описываемом варианте предусматривается применение регулируемого многоскоростного асинхронного электродвигателя, который за счет изменения схемы подключения может обеспечить частоту вращения вала 495, 745, 990 и 1485 об/мин. Соответственно получают 3; 4,5; 6 и 9 качаний балансира в минуту, причем резко сокращается время перевода СШНУ на другой режим работы по сравнению со сменой шкивов.
Рис. 2.14. Схема тихоходного станка-качалки с дополнительной ременной передачей
Рис. 2.15. Мотор-редуктор
Рис. 2.16. Схема станка-качалки с трехступенчатым коническо-цилиндрическим редуктором
Отсутствие ременной передачи, которая в обычном механизмах предохраняет оборудование от поломок при перегрузках потребовала в данном случае другого конструктивного решения. Муфта, соединяющая двигатель с редуктором, снабжена срезным штифтом, заключенным в резиновую оболочку, которая смягчает пусковой момент. При заклинивании плунжера скважинного насоса или поломках в кинематической цепи штифт срезается, предохраняя электродвигатель от перегрузки.
Нестандартная компоновка привода потребовала и изменений в тормозной системе. Для этого одна из половин муфты — на валу редуктора — служит одновременно тормозным шкивом двухколодочного тормоза, а в систему управления тормозом включена промежуточная угловая зубчатая закрытая передача.
Наряду с описанным вариантом с 1991 г. применяется тихоходный станок-качалка типа СКДТ4-1,5-710А, предназначенный для эксплуатации низкопродуктивных пластов при малых и средних глубинах (см. рис. 2.17).
Станок-качалка имеет комбинированную систему уравновешивания; в нем имеется клиноременная передача и обычный редуктор типа Ц2НШ-315. Станок-качалка обеспечивает от 2,8 до 5 ходов балансира в минуту. Целый ряд конструктивных узлов СКД4-1,5-710А (опора балансира, траверса, шатуны и редуктор) взаимозаменяемы с узлами СКДЗ-1,5-710, а подвеска устьевого штока заимствована у СКД6-2,5-2800.
Приводы завода «Вакуммаш». Технические характеристики приводов соответствует ОСТ 26-16-08-87. В частности, параметры и конструкция привода ПСН-3 в основном соответствуют станку-качалке СКДЗ-1,5-710 с некоторыми отклонениями (число ходов балансира в минуту 4,2—8,0 вместо 5—15 в СКДЗ). В приводе применен редуктор Р-315, 2-ступенчатый, с передаточным числом i = 39,868, с шевронной передачей и зацеплением Новикова, соответствующий редуктору Ц2НШ-315.
Приводы АО «Ижнефтемаш». Выпускаются по техническим условиям ТУ 3665-012-05785537-93 в нескольких вариантах исполнения (см. табл. 2.8) [11].
Рис. 2.17. Станок-качалка СКДТ4-1,5-710А с комбинированным уравновешиванием
У привода ПНШ80-3-40 все технические характеристики соответствуют станку-качалке СКД8-3-4000 по ОСТ 26-16-08-87. Приводы имеют кривошипное уравновешивание.
Условное обозначение на примере ПНШ60-2,1-25 означает следующее:
ПНШ — привод насосов штанговых;
60 — нагрузка на устьевом (сальниковом) штоке не более 60 кН;
2,1 — наибольшая длина устьевого (сальникового) штока 2,1 м;
25 — номинальный крутящий момент на ведомом валу редуктора 25 кНм.
Каждый привод в соответствии с техническими условиями может быть выполнен в двух вариантах по кинематической схеме (без дополнительного редуктора или с таким редуктором для уменьшения частоты ходов) и в двух вариантах по установке основного редуктора (непосредственно на раме станка-качалки или на тумбе). В зависимости от сочетания указанных вариантов получаются различные виды исполнения приводов:
а) основное соответствует приведенному шифру и предусматривает установку редуктора непосредственно на плоскости рамы, когда для монтажа привода требуется высокий фундамент;
б) исполнение 01 (например, ПНШ 60-2,1-25-01), когда в кинематической схеме трансмиссии предусмотрен промежуточный редуктор и электродвигатель пониженной мощности; компоновка привода как в основном варианте;
в) исполнение 02 (например, ПНШ 60-2,1-25-02) соответствует установке редуктора с двигателем на подставке-тумбе, когда для монтажа привода требуется низкий фундамент высотой не более 200 мм; разновидностью исполнения 02 является 02.01, при котором электродвигатель устанавливается не на уровне редуктора, а на низком подрамнике (с целью удобства обслуживания);
г) исполнение 03 (например, ПНШ 60-2,1-25-03) предусматривает применение дополнительного редуктора, но при компоновке, как в исполнении 02.
На рис. 2.18 показан одни из приводов в двух исполнениях: в обычном тумбовом варианте и с промежуточным редуктором.
Завод-изготовитель отмечает следующие конструктивные особенности своих приводов:
— Т-образную раму, которая создает дополнительную поперечную устойчивость привода, позволяет разгрузить переднюю, наиболее нагруженную часть фундамента и уменьшить величину его проседания в процессе работы;
— несъемные отжимные болты рамы, с помощью которых осуществляется нивелирование привода при монтаже и эксплуатации;
— трехопорную стойку, менее чувствительную к перекосу рамы и легко поддающуюся корректировки положения;
— фиксацию головки балансира и в рабочем и в нерабочем положении;
— защищенный от внешних воздействий (осадков, пыли) опорный подшипник головки балансира;
— кривошипные противовесы со встроенными механизмами их перемещения (рис. 2.19); механизм размещается в стандартном гнезде противовеса и центрируется по продольному пазу кривошипа; перемещение противовеса осуществляется вращением отдельной рукоятки;
— дополнительный настил над редуктором для обеспечения доступа к опоре траверсы (в приводе ПНШ 80-3-40).
В приводах применяются редукторы:
ПНШ 60-2,1 -25 РП- 450-28 (i =39,932) ПНШ 80-3-40 РП- 450 (i = 37,18) Редуктор РП-450-28 является аналогом редуктора Ц2НШ-450, а редуктор РП-450 — аналогом редуктора Ц2НШ-750Б. Существенной особенностью редукторов является раздельная система смазки зубчатых зацеплений и подшипниковых опор.
Рис. 2.18. Привод ПНШ 60-2,1-25 в исполнениях 02 и 03
Рис. 2.19. Устройство для перемещения противовесов:
1 — механизм перемещения; 2 — гайка круглая; 3 — рукоятка; 4 — вороток
С этой целью полости подшипниковых опор отделены от внутреннего объема картера, что предотвращает попадание в рабочую зону подшипников продуктов износа зубчатых колес, некачественного масла и др. Смазка зубчатых колес обеспечивается жидким маслом путем окунания и разбрызгивания, а смазка подшипниковых узлов — консистентной смазкой, периодически пополняемой при техобслуживании.
Дополнительный редуктор типа 1Ц2У-125 двухступенчатый с передаточным числом 7,75, с эвольвентным зубчатым зацеплением, массой не более 31,5 кг.
Станки-качалки типа СКР выпускаются заводом ОАО «Редуктор». Обозначение станка-качалки СКР4-2,1-16 (рис. 2.20):
СКР — станок-качалка акционерного общества «Редуктор»;
4 — максимальная нагрузка на устьевой шток 4 т;
2,1 — наибольшая длина хода устьевого штока 2,1 м;
16 — максимальный момент на выходном валу редуктора 1,6 кНм (1600 кгс-м).
Основные размеры и кинематика станков-качалок СКР соответствуют размерам и кинематике наиболее распространенных в отечественной практике станков-качалок типа СК по ГОСТ 5866-76, а типа СКДР соответствуют СКД по ОСТ 26-16-08-87; узлы их кривошипно-шатунных механизмов взаимозаменяемы с узлами станков-качалок СК и СКД азербайджанского производства. Так, СКР6-2,1-2800 соответствует станку-качалке СК6-2,1-2500. Однако новые станки-качалки имеют свои особенности, среди которых автоматическое натяжение клиновых ремней, быстродействующий дисковый тормоз с рычажно-винтовым управлением и храповым фиксатором, складная трехопорная стойка и др.
Как уже отмечалось, станки-качалки СКР оснащены быстродействующим дисковым тормозом (см. рис. 2.21). Тормозной диск 4 надевается скользящей посадкой на шлицевую втулку 6, закрепленную на конце входного вала редуктора 5. Зажим диска тормозными колодками 3 осуществляется с помощью винтового механизма, состоящего из нажимного винта 2 с рычагом /, который с помощью тяги связан с рукояткой 10 ручного привода. Тяга состоит из двух полутяг 7 и 9, соединенных гайкой и контргайкой 8, позволяющих регулировать степень затяжки тормоза. Фиксация рукоятки 10 в рабочем положении обеспечивается зубчатым фиксатором 11.
Рис. 2.20. Станок-качалка типа СКР:
1 — фундамент; 2 — рама; 3 — подвеска устьевого штока; 4 — ограждение кривошипно-шатунного механизма; 5 — нижняя головка шатуна; б— кривошип; 7— противовес; 8— стойка; 9 —лестница; 10— площадка верхняя (кроме СКДРЗ); // — опора балансира; 12 — балансир с головкой; 13 — траверса с опорой; 14— шатун; 15 — площадка редукторная (для СКДР8. 10, 12); 16 — редуктор; 17 — площадка нижняя; 18 — кожух ременной передачи; 19 — станция управления; 20 — рукоятка тормоза с фиксатором; 21 — тяга тормоза; 22 — электродвигатель; 23 — кронштейн; 24 — шкив ведущий; 25 — ремень клиновой; 26— шкив ведомый
Основные характеристики приводов, выпускаемых ПО «Уралтрансмаш» по техническим условиям ТУЗ-8629-651-010, представлены в таблице 2.10.
Рис. 2.21. Дисковый тормоз станков-качалок типа СКР
Условное обозначение приводов рассмотрим на примере ПШГНТ4-1,5-1400:
ПШГН — привод штанговых глубинных насосов;
Т — редуктор установлен на тумбе;
4 — максимальная нагрузка на устьевом штоке 4 тонны;
1,5 — наибольшая длина хода устьевого штока 1,5 м
1400 — наибольший допустимый крутящий момент на ведомом валу редуктора, кгс*м.
Типовая конструкция обычного станка-качалки типа ПШГН показана на рис. 2.22.
Рис. 2.22. Привод типа ПШГН
Приводы имеют целый ряд отличительных особенностей. В основу конструкции преобразующего механизма заложены соотношения, соответствующие рекомендациям Американского нефтяного института (API).
В кривошипах предусмотрен механизм плавного перемещения противовесов. Головка балансира крепится к телу балансира четырьмя вертикальными осями. Для поворота головки необходимо вынуть две оси с одной стороны, противоположной повороту, и с помощью стяжки повернуть головку. Такое соединение отличается надежностью и удобством проведения указанной операции.
Для поворота головки балансира предусмотрен червячный редуктор с ручным управлением (рис. 2.23).
Рис. 2.23. Механизм поворота головки балансира:
1 — головка балансира; 2 — упорный подшипник; 3 — ось головки балансира; 4 — пробка; 5 — винт для стопорения головки балансира; 6 — гайка; 7 — тело балансира; 8 — редуктор
В приводах применен двухкол од очный тормоз с поворотным рычагом 10 управления (рис. 2.24). Для фиксирования механизма н нужном положении стопор 3 вводится в зацепление с пазом тормозного шкива 12. Рычаг управления с помощью кнопки 11. фиксируется в зубчатом секторе 9. Регулировка зазора между тормозными колодками и шкивом обеспечивается изменением длины тяги 7 при помощи муфты 8 и изменением положения упорного винта 5.
Рис. 2.24. Тормоз с поворотным рычагом управления:
1 — корпус редуктора; 2, 4 — колодки тормозные; 3 — стопор; 5 — болт упорный; 6— рычаг плавающий; 7— тяга; 8— муфта стяжная; 9— сектор зубчатый; 10 — рычаг управления; 11 —кнопка; 12 — шкив тормозной; 13 — вал ведущий; 14 — шпонка
В приводах используются цилиндрические трехступенчатые редукторы, имеющие прямозубые колеса на быстроходной ступени и шевронные — на тихоходных ступенях. Передаточные числа редукторов:
ПШГН4 i = 57,75
ПШГН6 i = 51,45
ПШГН8 i = 51,45
ПШГН10 i = 51,45
ПШГН12 i = 54,25
Валы монтируются на роликовых сферических двухрядных подшипниках. Смазка подшипников комбинированная — разбрызгиванием и принудительная с подводом масла по направляющим лоткам, в которые масло забирается из картера черпаками, закрепленными на ободе зубчатых колес. Дополнительно подшипники смазываются пластичной смазкой через резьбовые отверстия в крышках подшипниковых узлов, закрытых пробками. Присоединительные размеры корпусов редукторов соответствуют серийным редуктором Ц2НШ-560 и Ц2НШ-750Б.
Модифицированные варианты приводов имеют ряд отличий от базовых.
В приводах ПШГНТ4-1.5-1400, ПШГНТ6-3-3500, ПШГНТ8-3-5500, кроме установки редуктора на тумбе, стойка трехопорная, крепится двумя ногами с помощью болтов к раме, а третьей ногой к тумбе.
В приводе ПШГНТ4-1,5-1400 (рис. 2.25) применен редуктор, в котором оси всех четырех валов расположены в одной наклонной плоскости, служащей одновременно плоскостью разъема.
Конструкция основных узлов и деталей привода ПШГНТ10-3-5500 аналогична приводу ПШГНТ8-3-5500, показанному на рис. 2.26.
На нефтяных промыслах РФ довольно широко применяются румынские станки-качалки завода «Вулкан» UP9T-2500-3500 и UP12T-3000-5500, технические характеристики которых приведена в таблице 2.4.
Рис. 2.25. Привод типа ПШГНТ 4-1,5-1400
Условное обозначение станков-качалок включает максимальную нагрузку на головку балансира (7,9 и 12 т), наибольшую длину хода устьевого штока (2000, 2500 и 3000 мм) и допускаемый крутящий момент на ведомом валу редуктора (3500 и 5500 кгс*м).
Конструкция румынских станков-качалок (рис. 2.27) соответствует стандартным конструкциям, выпускавшимся в нашей стране [11].
В последние годы параметры румынских станков-качалок приведены в соответствие с рекомендациями Американского нефтяного института (API). Новые приводы оборудуются двух-и трехступенчатыми редукторами с шевронными зубчатыми колесами. Ведомый вал посажен на усиленные бронзовые подшипники скольжения, а ведущий и промежуточные валы — на подшипники качения. Смазка подшипников осуществляется разбрызгиванием с доставкой масла к каждому подшипнику по желобкам.
Рис. 2.26. Привод ПШГНТ 8-3-5500 и ПШГНТ 6-3-3500
Американские станки-качалки с двуплечим балансиром. Типовая конструкция станка-качалки с двуплечим балансиром американской фирмы «Lufkin» показана на рис. 2.28.
В США принята англо-американская система единиц и обозначения штанговых скважинных приводов в соответствии с требованиями API расшифровываются следующим образом:
С — общепринятый (стандартный) тип станка-качалки с двуплечим балансиром;
320, 456 — максимальный крутящий момент редуктора в тысячах футов на дюйм;
D — двухступенчатый редуктор;
173, 213 — максимальная нагрузка на верхней штанге в сотнях фунтов;
120 — длина хода в дюймах
Рис. 2.27. Станок-качалка фирмы «Вулкан»
В станках-качалках применены двухступенчатые редукторы с передаточными числами: 30, 12 — для С-320 и 29,04 — для С-456.
Стандартным для станков-качалок фирмы «Lufkin» стали шевронные со спиральными зубьями зубчатые колеса, которые отличаются меньшей чувствительностью к неточностям сборки и значительно лучше работают в реверсивных передачах. Кроме двуплечих станков-качалок фирма «Lufkin» выпускает одноплечие приводы типа Mark II.
Конструкция станка-качалки представлена на рис. 2.29.
Фирма подчеркивает следующие преимущества приводов Mark II:
1) увеличенное время хода вверх, т.к. станок-качалка имеет дезаксиальный механизм; величина дезаксиала составляет 15°;
2) пониженное ускорение в начале хода вверх, что позволяет снизить величину перегрузки в этот наиболее напряженный период цикла на привод и на штанги;
3) увеличенная допускаемая нагрузка в точке подвеса штанг, т.к. траверса расположена перед редуктором, близко от головки балансира, что позволяет увеличить «тягу» рычажной системы;
4) возрастание допускаемой нагрузки при ходе вверх и снижение при ходе вниз выравнивает распределение нагрузки за цикл;
5) геометрия механизма позволяет повысить крутящий момент по сравнению с обычными станками-качалками; это делается за счет особой конструкции кривошипа и его расположения, позволяющего изменить приложение момента по отношению к моменту, создаваемому весом колонны штанг; в случае сохранения параметров неизменными можно снизить момент на редукторе до 35% и, соответственно, уменьшить потери мощности и требуемую мощность двигателя.
Рис. 2.28. Станок-качалка с двуплечим балансиром фирмы «Lufkin»
Рис. 2.29. Конструкция 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
Модель М-1140-143-86, в которой литера М обозначает Mark II. Остальные обозначения аналогичны приведенным ранее. Данная модель имеет следующие характеристики:
Нагрузка на головку балансира: 14300 фунтов — 6,5 т
Длина хода: 63; 75; 96 дюймов — 1,6; 1,9; 2,2 м
Номинальный момент редуктора: 114000 фунтов на дюйм— 13,1 кН*м
Рис. 2.30. Привод одноплечий ПШГНО 6-2,5
Редуктор двухступенчатый с передаточным число 29,4, с горизонтальной плоскостью разъема, с шевронными зубчатыми колесами. Особенностью редуктора является применение в качества опор кривошипного вала бронзовых подшипников скольжения; опоры двух других валов — цилиндрические роликоподшипники.
Впервые в нашей стране также начат серийный выпуск приводов с одноплечим балансиром, если не считать экспериментов многолетней давности по выпуску такого станка-качалки с пневматическим уравновешиванием. Одноплечий станок-качалка «Уралтрансмаша» типа ПШГНО6-2,5 (рис. 2.30).
Целый ряд узлов привода (траверса, шатуны, подвеска устьевого штока и др.) конструктивно аналогичны принятому за базовый приводу ПШГН8-3-5500 и не имеют существенных отличий. Редуктор заимствован от ПШГНТ4-1,5-1400, но в него внесены некоторые конструктивные изменения, в частности, усилен ведомый вал.
Рис. 2.31. Привод кривошипно-шкивной передвижной ПКШП-80
Аналогичное оборудование выпускает завод «Редуктор» — это станки-качалки типов СКМР6-2,5 и СКМР12-3,5. Основные кинематические размеры приводов соответствуют станку-качалке М-1140-143-86 фирмы «Lufkin», а параметры и конструкция адаптированы к российским условиям и практике эксплуатации.
Станки-качалки оснащены надежными редукторами 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.
Станки-качалки с одноплечим балансиром выпускаются также румынским заводом «Вулкан».