 |
Качалки. Другие возвратно-поступательные насосы
|
|
|
|
Качалки
Качалки (балансирные насосные установки) передают усилие на верхнюю часть системы штанг в виде возвратно-поступательного движения. Длина рабочего хода может варьироваться от менее чем 30 см до 24 м. Для первых качалок использовали вышки для ударно-канатного бурения по завершении бурения, при этом для приведения в действие глубинного насоса применяли балансир бурильного станка. Несущие элементы этих установок делали из дерева с металлическими подшипниками и оснасткой. Приводом служили паровые машины или одноцилиндровые низкооборотные двигатели внутреннего сгорания, снабженные ременной передачей. Иногда позже добавляли привод от электромотора. В этих установках вышка оставалась над скважиной и силовая установка и главный маховик использовались для обслуживания скважины. Одно и то же оборудование применялось для бурения, добычи и обслуживания. Эти установки с некоторыми модификациями использовались примерно до 1930 г. К этому времени были пробурены более глубокие скважины, нагрузки на насосы увеличились и применение установок канатного бурения в качестве насосов изжило себя. На рис. 10. 15 изображена старинная качалка, переделанная из вышки для ударно-канатного бурения.
Современный насос-качалка, в основном разработанный в 1920-х годах, изображен на рис. 10. 16. Появление эффективных мобильных приспособлений для обслуживания скважин устранило необходимость во встроенных талях на каждой скважине, а создание долговечных, эффективных редукторов легло в основу более высокоскоростных качалок и первичных двигателей меньшего веса.
Относительно высокая скорость вращения первичного двигателя сначала снижается ременной передачей, а затем шестеренчатым редуктором, чтобы кривошип вращался с заданным числом рабочих ходов в минуту. Вращение кривошипа преобразуется плечом кривошипа, опорой пальца кривошипа, шатуном и балансиром, а движение стабилизатора переходит в линейное движение сальникового штока головкой балансира и серьгой для подвески штанг. При правильной настройке установки это движение не должно создавать никаких изгибающих нагрузок на устьевой сальниковый шток. Сальниковый шток и сальник обеспечивают уплотнение между штангами и насосно-компрессорной колонной на поверхности, чтобы направить перекачиваемую жидкость в выкидной трубопровод.
|
|
|
Противовес. Противовес, расположенный на плече кривошипа качалки (см. рис. 10. 15), — важный компонент системы. Он может быть также помещен на балансире, для этой цели можно использовать пневмоцилиндр (см. рис. 10. 16). Насосные установки делятся на установки с коромысловой, кривошипной и пневматической балансировкой (рис. 10. 17).
Назначение балансировки становится понятным, если рассмотреть движение колонны насосных штанг и качалки на примере идеализированной работы насоса, изображенного на рис. 10. 13. В этом упрощенном случае нагрузка на устьевой сальниковый шток при движении вверх состоит из веса штанг плюс вес скважинных флюидов. При обратном ходе это только вес штанг. Без какой-либо балансировки нагрузка на шестеренчатый редуктор и первичный двигатель во время движения вверх направлены в одну сторону. При движении вниз нагрузка направлена в противоположную сторону. Такой тип нагрузки весьма нежелателен. Он вызывает ненужный износ, срабатывание и перерасход топлива (энергии). На практике используется противовес, равный весу колонны насосных штанг плюс примерно половина веса поднимаемой жидкости. Правильный подбор противовеса создает наименьшие возможные нагрузки на редуктор и первичный двигатель, уменьшает поломки и простои и снижает требования к топливу или энергии. По оценкам, до 25% всех качалок, находящихся в эксплуатации, не сбалансированы должным образом.
|
|
|
Другие возвратно-поступательные насосы
Качалки используются более чем на 99% всех скважин, оборудованных штанговыми насосами, тем не менее существует ряд других установок для штанговых насосов, имеющих ограниченное применение. Теоретически в данном случае пригодно любое устройство, обеспечивающее движение колонны насосных штанг вверх и вниз. Гидравлические и пневматические насосные установки с гидравлическими и пневматическими цилиндрами высокого давления, приводящие в движение колонны насосных штанг, применяются примерно с 1900 г.
Пневматические установки
В случае пневматических установок один или более цилиндров помещаются над устьем скважины и монтируется балансировочная система, использующая сжатый воздух или газ (рис. 10. 18). В такой системе сжатый газ воздействует на нижнюю часть поршней внутренних рабочих цилиндров при движении вверх. Газ низкого давления над поршнями выбрасывается в газопровод товарного газа. При движении вниз сжатый газ действует на верхнюю часть поршней, а газ низкого давления под поршнями выталкивается в газопровод товарного газа. Из буферной емкости балансира сжатый газ поступает в два пневмобалансира, компенсирующих вес колонных насосных штанг и половину веса скважинных флюидов, так же как и в качалке. Верхняя часть пневмобалансиров открыта в атмосферу. Давление на рабочий поршень в верхней и нижней точках рабочего хода меняется с помощью золотника, управляемого реверсивным штоком, присоединенным к оснастке штока поршня. Такие установки успешно применяются для откачки воды из газовых скважин, где давление в устье скважины существенно превышает давление в товарном газопроводе, что обеспечивает энергию для работы установки. Таким образом, эти установки работают без затрат на энергию, поскольку в качестве источника энергии они используют перепад давления между головкой обсадной колонны и газопроводом товарного газа.
|
|
|
Гидравлические установки
В конце 1940-х годов применялись гидравлические штанговые насосные установки с рабочим ходом более 6 м (рис. 10. 19). По сравнению с тремя метрами максимального рабочего хода качалок того времени эти установки обеспечивали более плавную работу, более редкую смену штанг и более высокую степень сжатия для сокращения числа газовых пробок. Однако начальные капиталовложения были велики, и теперь, когда доступны качалки с ходом 7, 5 м, гидравлические штанговые насосы с большим рабочим ходом используются очень редко.
Насосы с воротом и колесным домкратом
Ограниченно применялись и многие другие конструкции штанговых насосов. Насосная установка с тросами и воротом (рис. 10. 20) позволяет добиться длины рабочего хода 12—24 м, что снижает динамические нагрузки, необходимость смены штанг, возникновение газовых пробок и энергопотребление. Это устройство может применяться при глубоком погружении насоса. Колесный домкрат, напротив, применяется только для добычи с небольшой глубины.
Невзирая на многообразие штанговых насосных установок, качалкам отдано предпочтение благодаря их надежности, простоте, гибкости и известности. Хотя принцип работы остался тем же, что и у самых ранних насосных установок, современная качалка благодаря техническому прогрессу становится все более эффективной частью монтажа добывающего оборудования.
|
|
|
