Станок-качалка с противовесом и реверсивными двигателями
Изобретение относится к скважинным насосным установкам. Установка с противовесом содержит два или более реверсивных двигателей, каждый из которых непосредственно и функционально соединен с выполненным в возможностью вращения компонентом привода, смонтированным на опорной конструкции, расположенной над оборудованием устья скважины. Для каждого двигателя удлиненный гибкий приводной элемент охватывает взаимодействующий с ним, выполненный с возможностью вращения компонент привода. Один конец гибкого приводного элемента соединен с противовесом в сборе. Другой конец соединен с колонной насосных штанг, взаимодействующей с оборудованием устья скважины. Приведение в действие двигателей вызывает вращение выполненных с возможностью вращения компонентов привода. В результате приводные элементы обеспечивают перемещение колонны насосных штанг и противовеса в сборе в противоположных вертикальных направлениях. Направление вращения приводных двигателей попеременно изменяется, чтобы обеспечить чередование направлений вертикального перемещения колонны насосных штанг и противовеса. Противовес в сборе может быть концентричным относительно оборудования устья скважины или может быть смещен от оборудования устья скважины. Увеличивается длина хода поршня. 12 з.п. ф-лы, 7 ил.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к скважинным насосным установкам, предназначенным для обеспечения функционирования штанговых глубинных скважинных нефтяных насосов и тому подобного.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В обычных способах добычи флюидов из скважины, пробуренной в нефтегазоносном подземном пласте, колонну стальных насосно-компрессорных труб размещают в стволе скважины, и данная колонна простирается от подземной продуктивной зоны до оборудования устья скважины на поверхности. Глубинный скважинный насос расположен внутри эксплуатационной насосно-компрессорной колонны в продуктивной зоне для подъема скважинных флюидов (например, нефти, газа, пластовой воды) к поверхности за счет возвратно-поступательного движения подвижного нагнетательного клапана, встроенного в насос, в вертикальном направлении. Подвижный нагнетательный клапан приводится в возвратно-поступательное движение посредством колонны насосных штанг (или колонны насосно-компрессорных штанг), простирающейся вверх внутри эксплуатационной насосно-компрессорной колонны до оборудования устья скважины, где она соединяется с полированной штангой, простирающейся вверх через устьевой тройник и сальник для соединения с насосной установкой. Насос данного типа обычно называют поршневым насосом или «штанговым насосом».
Различные типы скважинных насосных установок были разработаны для обеспечения работы поршневых скважинных насосов, при этом наиболее распространенным типом является «станок-качалка», содержащий балансирный механизм, который обеспечивает возвратно-поступательное движение колонны насосно-компрессорных штанг, соединенной с глубинным скважинным насосом, посредством приводного механизма, содержащего электрический двигатель или двигатель внутреннего сгорания, редукторный механизм и тормозную систему. Конструкция балансира насосной установки является большой, тяжелой и дорогостоящей при создании. Если одиночный канат, соединяющий свободный конец балансира с полированной штангой на верхнем конце колонны насосных штанг, разорвется, колонна насосных штанг будет падать неконтролируемым образом, что вызовет повреждение оборудования устья скважины и, возможно, потерю всей колонны штанг в стволе скважины, следствием чего будут дорогостоящие ремонтные работы и возникновение угрозы безопасности.
Известна модификация балансирного станка-качалки таким образом, что он будет включать в себя систему противовесов для уменьшения общего веса, который должен быть поднят посредством системы привода станка-качалки. Во время хода глубинного скважинного насоса вверх станок-качалка должен обеспечивать подъем всего веса колонны насосно-компрессорных штанг, а также столба скважинных флюидов над подвижным нагнетательным клапаном глубинного скважинного насоса. Например, для колонны штанг, которая весит 15000 фунтов (6795 кг) (включая подвижный нагнетательный клапан) и которая должна обеспечить подъем столба флюидов, весящего 10000 фунтов (4530 кг), станку-качалке потребуется поднять в целом 25000 фунтов (11325 кг) при каждом ходе вверх. В верхней точке каждого хода вверх система привода станка-качалки должна быть отсоединена для инициирования хода вниз, обеспечивающего возможность опускания подвижного нагнетательного клапана к забою скважины. При ходе вниз весящая 15000 фунтов (6795 кг) колонна штанг по существу будет находиться в состоянии контролируемого свободного падения сквозь жидкость в эксплуатационной насосно-компрессорной колонне. Соответственно, станок-качалка должен включать в себя надежную тормозную систему для регулирования скорости хода вниз.
В системе станка-качалки с противовесом противовес в идеальном случае соответствует сумме веса колонны штанг и половины веса столба флюидов, который должен быть поднят. В вышеприведенном примере противовес в идеальном случае будет весить 20000 фунтов (то есть 15000 фунтов плюс 1/2 от 10000 фунтов) (9060 кг (то есть 6795 кг плюс 1/2 от 4530 кг)), так что результирующая требуемая подъемная сила при ходе поршня насоса вверх будет составлять только 5000 фунтов (2265 кг). В верхней точке хода вверх будет иметь место результирующая направленная вниз сила, составляющая 5000 фунтов (2265 кг), действующая на противовес, то есть 20000 фунтов (9060 кг) для противовеса за вычетом 15000 фунтов (6795 кг) для колонны штанг (при ходе вниз отсутствует нагрузка, создаваемая столбом флюидов). Следовательно, система привода станка-качалки должна обеспечить создание результирующей подъемной силы, составляющей только 5000 фунтов (2265 кг), то есть обеспечить подъем колонны штанг и столба флюидов при ходе поршня штангового насоса вверх и подъем противовеса при ходе поршня штангового насоса вниз. Это отличается от станка-качалки без противовеса, который осуществляет подъем только при ходе вверх, но требуемая подъемная сила резко уменьшается, как и требования к тормозной системе.
Поскольку насосная установка с противовесом, как правило, должна обеспечивать подъем как при ходе поршня глубинного скважинного насоса вверх, так и при его ходе вниз, система привода установки должна быть реверсивной. В системах привода наиболее известных станков-качалок используются обычные электрические двигатели, которые вращаются только в одном направлении. Следовательно, использование подобных двигателей в насосных установках с противовесом требует реверсивного механизма какого-либо типа. Соответствующая система управления предусмотрена для попеременного изменения направления хода поршня насоса в конце каждого хода вверх или хода вниз.
Одним примером насосной установки с противовесом по предшествующему уровню техники, приводимой в действие электрическим двигателем, является установка Rotaflex®, изготавливаемая компанией Weatherford® International Ltd., Хьюстон, Техас. Установка Rotaflex® имеет вертикальную башенную конструкцию и электрический двигатель у основания башни. Редуктор присоединен к выходному валу двигателя, и ведущая звездочка смонтирована на редукторе. Непрерывная приводная цепь охватывает ведущую звездочку и паразитную звездочку, установленную в верхней зоне башни. Противовес соединен с выбранным звеном приводной цепи так, что противовес будет перемещаться в вертикальном направлении вместе с приводной цепью. Предусмотрен механический реверсивный механизм для попеременного изменения направления перемещения приводной цепи и, соответственно, направления перемещения противовеса.
Прерывистый тяговый ремень охватывает поддерживающий ролик, установленный в верхней части башни, при этом один конец тягового ремня соединен с противовесом и другой конец противовеса соединен с полированной штангой колонны насосно-компрессорных штанг, взаимодействующей с оборудованием устья скважины. Ось вращения поддерживающего ролика проходит поперек к осям вращения звездочек приводной цепи, а не параллельно им. За счет соединения противовеса как с приводной цепью, так и с тяговым ремнем, приведение в действие электрического двигателя обеспечивает подъем или колонны штанг, или противовеса посредством тягового ремня в зависимости от направления перемещения приводной цепи (управляемого механическим реверсивным механизмом системы привода).
Таким образом, установка Rotaflex® обеспечивает преимущества балансирования в сочетании с вращающимся в одном направлении, электрическим главным приводным двигателем, но имеет недостаток, заключающийся в том, что требуется сложное механическое устройство для обеспечения необходимой грузоподъемности/подъемной силы как при ходе вверх, так и при ходе вниз поршня глубинного скважинного насоса, приводимого в действие посредством установки. К конкретным примерам проявления данной механической сложности относятся необходимость в зубчатом редукторе на выходном вале электрического приводного двигателя (который вращается значительно быстрее, чем ведущая звездочка), специализированный механический реверсивный механизм и необходимость как в приводном цепном устройстве для обеспечения возвратно-поступательного движения противовеса, так и в устройстве с тяговым ремнем для обеспечения передачи подъемной силы к колонне штанг во время хода поршня глубинного скважинного насоса вверх.
В патенте США № 4226404 (Zens) раскрыта насосная установка с противовесом, в которой используется реверсивный гидравлический двигатель, приводимый в действие гидравлическим насосом. Гидравлический двигатель соединен непосредственно с барабаном для обеспечения вращения барабана вокруг горизонтальной оси. Предусмотрены два шкива, по одному с каждой из двух сторон барабана, с осями вращения, по существу параллельными оси вращения барабана. Один конец первого тягового каната прикреплен к первой выбранной точке на периферии барабана, и первый тяговый канат охватывает первый из шкивов, при этом другой конец первого тягового каната соединен с противовесом в сборе. Один конец второго тягового каната прикреплен к второй выбранной точке на периферии барабана, и второй тяговый канат охватывает второй шкив, при этом другой конец второго тягового каната соединен с колонной штанг, взаимодействующей с оборудованием устья скважины. Вращение барабана в первом направлении приводит к подъему колонны штанг и опусканию противовеса; вращение барабана в противоположном направлении приводит к подъему противовеса и опусканию колонны штанг.
Проиллюстрированные варианты осуществления устройства по патенту на имя Zens включают в себя один или несколько несущих канатов, которые охватывают шкивы и противоположные концы которых соединены с противовесом и с колонной штанг. Несущие канаты не входят в контактное взаимодействие с барабаном и, следовательно, не являются приводными, но они служат для разделения нагрузок, создаваемых противовесом и колонной штанг, предпочтительно равномерным образом. Для предотвращения неконтролируемого смещения тяговых канатов и несущих канатов в боковом направлении во время работы устройства, а также для предотвращения воздействия данных канатов друг на друга периферийная поверхность барабана выполнена с непрерывной спиральной канавкой для приема и пропускания тяговых канатов, и периферийные поверхности шкивов выполнены с параллельными кольцевыми канавками для приема и пропускания несущих канатов.
Благодаря спиральной канавке на барабане положения тяговых канатов в боковом направлении на барабане и относительно барабана будут «смещаться» (в направлении, параллельном оси вращения барабана) при колебаниях барабана вокруг оси вращения при переходе от хода вверх к ходу вниз. Поскольку положения тяговых канатов в боковом направлении у шкивов не изменяются во время работы устройства, смещение тяговых канатов на барабане в боковом направлении будет приводить к возникновению угла отклонения канатов по отношению к оси барабана при каждом колебании (то есть тяговые канаты в отличие от несущих канатов не будут оставаться перпендикулярными к осям вращения барабана и шкивов). Данное, как правило, нежелательное состояние устраняется в устройстве по патенту на имя Zens посредством выполнения вспомогательного механизма для обеспечения наклона оси барабана так, как необходимо для компенсации угла/-ов отклонения канатов по отношению к оси барабана, который/-ые образовался/-лись бы в противном случае.
Таким образом, устройство по патенту на имя Zens представляет собой пример насосной установки с противовесом, которая позволяет избежать необходимости в компонентах, представляющих собой понижающие передачи, и в реверсивных механизмах, какие имеются в установке Rotaflex®. Однако оно также имеет недостатки, связанные с механической сложностью, включая потребность в большом барабане, взаимодействующим с тяговыми канатами, «очень желательных» несущих канатах помимо тяговых канатов и больших шкивах, также необходимых для тяговых канатов и несущих канатов. В патенте на имя Zens утверждается, что размер шкивов может быть уменьшен за счет использования дополнительных канатов; однако наличие дополнительных тяговых канатов и несущих канатов создает дополнительную сложность. Дополнительным недостатком устройства по патенту на имя Zens является связанная с ним проблема углов отклонения канатов по отношению к оси барабана, образующихся у тяговых канатов, которая решается посредством введения дополнительного механического усложнения в виде механизма для обеспечения постоянного наклона оси барабана для поддержания угла отклонения канатов по отношению к оси барабана по существу равным нулю.
По вышеуказанным причинам существует потребность в усовершенствованных насосных установках с противовесом, имеющих менее механически сложные системы привода по сравнению с обычными насосными установками с противовесом.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В настоящем изобретении раскрыт станок-качалка с противовесом, содержащий противовес в сборе, к которому может быть подвешена колонна насосных штанг. Один или несколько реверсивных приводных двигателей (и, как правило, по меньшей мере, два реверсивных приводных двигателя) смонтированы на поднятой платформе. В предпочтительных вариантах осуществления реверсивные приводные двигатели представляют собой гидравлические двигатели. Для каждого двигателя удлиненный гибкий прерывистый соединитель (такой как - без ограничения - приводной ремень или приводная цепь) охватывает ведущий шкив (или ведущую звездочку), который/-ая приводится во вращение посредством двигателя. Один конец каждого соединителя соединен с противовесом в сборе, а другой конец соединен с колонной насосных штанг посредством соответствующего устройства, обеспечивающего опору для штанг (называемого в данном документе «устройством для удерживания штанг», при этом предусмотрено, что указанный термин охватывает все типы устройств, пригодных для соединения с колонной насосных штанг и для обеспечения опоры для колонны насосных штанг). Противовес имеет соответствующую массу для уравновешивания выбранной процентной доли общего веса колонны насосных штанг и веса столба флюидов, поднимаемого посредством глубинного скважинного насоса.
При ходе вверх приводные двигатели должны обеспечить подъем только веса колонны насосных штанг и столба флюидов за вычетом веса противовеса. В верхней точке хода вверх приводные двигатели изменяют направление на противоположное, инициируя ход вниз, во время которого колонна насосных штанг перемещается вниз до ее самого нижнего положения. В этот момент приводные двигатели изменяют направление на противоположное, тем самым инициируя следующий ход вверх.
Использование нескольких приводных двигателей, работающих совместно, обеспечивает возможность присоединения множества гибких соединителей к устройству для удерживания штанг. Для обеспечения оптимальной безопасности и надежности гибкие соединители предпочтительно выбраны или рассчитаны с запасом прочности, достаточным для гарантирования того, что колонна насосных штанг не сможет упасть, даже если все гибкие соединители, кроме одного, сломаются/разорвутся.
Соответственно, согласно одному аспекту настоящего изобретения раскрыта скважинная насосная установка, содержащая поднятую платформу, опирающуюся на опорную конструкцию, с двумя или более реверсивными приводными двигателями, смонтированными на платформе. Каждый приводной двигатель имеет вращающийся выходной вал (альтернативно названный приводным валом), функционально соединенный с выполненным в возможностью вращения компонентом привода, так что приведение в действие приводного двигателя вызывает вращение выполненного с возможностью вращения компонента привода с такой же частотой вращения, как у приводного вала (другими словами, имеет место конструкция с «непосредственным приводом» без каких-либо соответствующих средств снижения скорости).
Для каждого приводного двигателя удлиненный гибкий приводной элемент (который может представлять собой - в качестве неограничивающего примера - приводной ремень, такой как синхронный ремень, или приводную цепь) охватывает взаимодействующий с ним, выполненный с возможностью вращения компонент привода (который может представлять собой - в качестве неограничивающего примера - шкив для синхронного ремня или звездочку для приводной цепи в зависимости от типа используемого гибкого приводного элемента). Гибкий приводной элемент является прерывистым и имеет первый конец, который соединен с противовесом в сборе, выполненным с возможностью перемещения в вертикальном направлении под платформой, и второй конец, который выполнен с возможностью соединения с колонной насосных штанг, взаимодействующей с оборудованием устья скважины.
Соответствующие системы энергопитания и управления предусмотрены для управления работой приводных двигателей. В некотором смысле система энергопитания и система управления могут рассматриваться как отдельные системы. Однако, поскольку данные системы, как правило, функционируют в непосредственном и по существу постоянном взаимодействии друг с другом, практически они также могут рассматриваться как образующие объединенную систему энергопитания и управления.
Термин «система энергопитания» в используемом в данном патентном документе смысле может относиться к одному или нескольким компонентам, посредством которых энергия подается к реверсивным приводным двигателям для создания выходного крутящего момента. В случае гидравлической системы питания подобные компоненты, как правило, будут включать первичный двигатель (такой как - без ограничения - газовый двигатель или электрический двигатель), гидравлический насос, приводимый в действие посредством первичного двигателя, и резервуар для рабочей жидкости для гидравлических систем. Размещение гидравлических двигателей на поднятой платформе, как раскрыто в данном документе, обеспечивает возможность размещения первичного/-ых двигателя/-ей, гидравлического/-их насоса/-ов, резервуара для рабочей жидкости для гидравлических систем и/или других соответствующих компонентов на земле, при этом магистрали для рабочей жидкости для гидравлических систем проходят между гидравлическими насосами и гидравлическими двигателями, в результате чего минимизируется число компонентов, которые должны быть предусмотрены на платформе, и, следовательно, это способствует эффективному техническому обслуживанию и текущему ремонту системы энергопитания.
Термин «система управления» в используемом в данном патентном документе смысле может относиться к набору компонентов, посредством которых длина хода, скорость, направление перемещения (то есть ход вверх или ход вниз) штанги насоса регулируются в соответствии с выбранными рабочими условиями. Специалистам в данной области техники будет понятно, что системы управления, функционально пригодные для использования вместе с насосными установками в соответствии с настоящим изобретением, могут быть выполнены многими альтернативным способами, с использованием хорошо известных технических решений, так что отсутствуют какие-либо определенные компоненты, которые обязательно будут составлять часть всех подобных систем управления.
В широком смысле система управления содержит/образует средство или способ, посредством которого информация, относящаяся к состоянию (например, к скорости и направлению) колонны насосных штанг и/или противовеса, принимается и затем синтезируется, и именно техническая сущность и характеристики выбранного средства или способа определяют в конечном счете конкретные компоненты, необходимые для определенного варианта осуществления системы управления. Чтобы привести один неограничивающий пример, можно указать, что передача информации/данных, относящихся к состоянию штанги насоса и/или противовеса в сборе, в альтернативных вариантах может осуществляться с помощью гидравлических, электрических, механических, пневматических или магнитных средств.
Один аспект, связанный с функционированием системы управления, заключается в чередовании направлений вращения приводных двигателей в соответствии с требованиями к работе скважинной насосной установки так, чтобы при ходе вниз поршня глубинного скважинного насоса, с которым соединена колонна штанг, все гибкие приводные элементы обеспечивали подъем противовеса (то есть все из их первых концов перемещались вверх), и при ходе вверх все гибкие приводные элементы обеспечивали подъем колонны штанг (то есть все из их вторых концов перемещались вверх). В зависимости от выбранного числа и конструкции приводных двигателей это может привести к тому, что один или несколько из приводных двигателей в любой заданный момент времени будут вращаться в направлении, противоположном по отношению к направлению вращения остальных приводных двигателей. Для ясности в контексте данного описания изобретения приводные двигатели могут быть названы работающими в «первом скоординированном направлении», когда они все вращаются так, чтобы обеспечить подъем противовеса, и во «втором скоординированном направлении», когда они все вращаются так, чтобы обеспечить подъем колонны штанг.
В насосных установках в соответствии с настоящим изобретением гибкие приводные элементы служат как в качестве приводных средств, так и в качестве несущих нагрузку средств, в отличие от насосных установок с противовесом по предшествующему уровню техники, в которых используются отдельные гибкие приводные элементы (такие как канаты, цепи или ремни), а также отдельные гибкие несущие нагрузку элементы (такие как канаты, цепи или ремни). Приводные цепи и приводные ремни соответствующей прочности и надежности легко доступны в различных видах. Хорошо известны синхронные ремни, которые имеют зубья на одной или обеих сторонах для входа в зацепление с комплементарными шкивами для синхронных ремней (при этом одним особенно распространенным применением синхронных ремней является их применение в качестве ремней привода газораспределительного механизма в автомобилях) и которые могут надежным образом выдерживать большие растягивающие нагрузки, в особенности тогда, когда они армированы посредством Kevlar® или других армирующих материалов.
В предпочтительных вариантах осуществления приводные двигатели и взаимодействующие с ними, выполненные с возможностью вращения компоненты привода расположены на платформе так, что гибкие приводные элементы несут по существу одинаковые части веса противовеса и колонны штанг. Данная конструкция будет предпочтительной за счет того, что все приводные двигатели и все гибкие приводные элементы будут иметь одинаковую потребную мощность или требуемую несущую способность, в результате чего обеспечиваются выгоды с точки зрения затрат на изготовление и эксплуатационных расходов и эффективности производства и эксплуатации. Однако это не является существенным требованием; в некоторых рабочих ситуациях может быть необходимо или желательно, чтобы различные компоненты системы привода насосной установки были расположены так, чтобы они несли неравные доли веса поднимаемых грузов.
Скважинные насосные установки в соответствии с настоящим изобретением могут быть использованы для вертикальных скважин, но они также могут быть приспособлены для использования в скважине, которая пересекает поверхность земли под некоторым углом.
В определенных вариантах осуществления противовес в сборе определяет границы вертикального канала, через который могут проходить вторые концы гибких приводных элементов для соединения с колонной насосных штанг, так что центр тяжести противовеса будет концентричным относительно колонны насосных штанг. В других вариантах осуществления противовес в сборе смещен в боковом направлении относительно колонны насосных штанг.
Если требуется, скважинная насосная установка может быть предусмотрена с защитным ограждением, окружающим, по меньшей мере, часть вертикальной опорной конструкции. К другим возможным предохранительным устройствам относятся средства блокировки противовеса и средства блокировки полированной штанги, предназначенные для блокировки вертикальных положений противовеса в сборе и колонны штанг, чтобы защитить рабочих от травм, которые в противном случае могли бы иметь место вследствие непреднамеренных перемещений противовеса и колонны штанг во время технического обслуживания насосной установки или других работ, связанных с ней.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Варианты осуществления в соответствии с настоящим изобретением будут описаны далее со ссылкой на сопровождающие фигуры, на которых числовые ссылочные позиции обозначают аналогичные компоненты и на которых:
Фиг. 1 представляет собой вертикальный вид в перспективе первого варианта осуществления станка-качалки с противовесом, показанного с противовесом в сборе, находящимся в поднятом положении, и с колонной насосных штанг, находящейся рядом с нижней точкой ее хода вниз.
Фиг. 2 представляет собой вид сверху станка-качалки с противовесом по Фиг. 1, показывающий множество приводных двигателей, соединенных с опорными блоками и ведущими шкивами посредством приводных валов.
Фиг. 3 представляет собой вид под углом сверху платформы с оборудованием станка-качалки с противовесом по Фиг. 1, показанной с приведенными в качестве примера вариантами осуществления установленных средств блокировки противовеса и средств блокировки колонны штанг.
Фиг. 4 представляет собой вид в перспективе второго варианта осуществления станка-качалки с противовесом в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг. 5 представляет собой вид в перспективе третьего варианта осуществления станка-качалки с противовесом, выполненного с возможностью функционирования в сочетании с наклонным стволом скважины.
Фиг. 6 представляет собой вид в перспективе станка-качалки, аналогичного станку-качалке, показанному на Фиг. 5, но с альтернативным вариантом осуществления системы привода.
Фиг. 7 представляет собой вид в перспективе четвертого варианта осуществления станка-качалки с противовесом, в котором противовес смещен в боковом направлении от ствола скважины, в сочетании с которым был установлен станок-качалка, при этом данный вариант осуществления показан с противовесом в сборе, находящимся в поднятом положении, и с колонной насосных штанг, находящейся рядом с нижней точкой ее хода вниз.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Фиг. 1-3 иллюстрируют первый вариант 100 осуществления скважинной насосной установки в соответствии с настоящим изобретением. Насосная установка 100 содержит опорную конструкцию 120, которая может быть расположена над оборудованием 10 устья скважины, взаимодействующим со стволом скважины. Оборудование 10 устья скважины, как правило, включает в себя сальник 12, через который и вверх от которого проходит полированная штанга 15, взаимодействующая с колонной насосных штанг, соединенной с глубинным скважинным насосом (непоказанным), расположенным внутри эксплуатационной колонны насосно-компрессорных труб, установленной в стволе скважины. Оборудование 10 устья скважины также включает в себя устьевой тройник 14 для отвода флюидов, добываемых из скважины.
На Фиг. 1-3 опорная конструкция 120 показана как содержащая множество вертикальных стоек 20 с периферийным опорным элементом 25, соединяющим стойки 20 приблизительно в середине их высоты. Данное изображение приведено только для иллюстрации конструктивной концепции; конфигурация опорной конструкции 120 для заданного применения будет составлять предмет выбора при проектировании, и варианты осуществления скважинных насосных установок в соответствии с настоящим изобретением не ограничены опорными конструкциями, показанными в любом проиллюстрированном варианте осуществления, или опорными конструкциями с любой другой определенной конфигурацией.
Платформа 30 для оборудования предусмотрена вверху или в верхней зоне опорной конструкции 120. На Фиг. 1-3 платформа 30 показана в виде по существу сплошной платформы (с отверстиями, необходимыми для целей функционирования, описанных позднее в данном документе), но это показано только в качестве неограничивающего примера. В альтернативных вариантах осуществления платформа 30 может иметь поверхность типа открытой решетки или может иметь решетчатую конструкцию.
Как наиболее четко показано на Фиг. 2, множество приводных двигателей 70, каждый из которых имеет выходной приводной вал 72, смонтированы на платформе 30 с по существу симметричной конфигурацией относительно центрального отверстия 32, выполненного в платформе 30 для прохода полированной штанги 15. Каждый приводной вал 72 функционально введен в контактное взаимодействие с выполненным с возможностью вращения компонентом 80 привода (показанным на фигурах в виде ведущего шкива), взаимодействующим с двумя соответствующими опорами 82. Каждый выполненный с возможностью вращения компонент 80 привода охвачен удлиненным гибким приводным элементом 60 (показанным на фигурах в виде приводного ремня), входящим с ним в функциональное контактное взаимодействие и имеющим первый конец 60С и второй конец 60R, которые оба проходят вниз с каждой из двух сторон соответствующего выполненного с возможностью вращения компонента 80 привода через вспомогательное отверстие или отверстия 35 в платформе 30.
Как лучше всего видно на Фиг. 1, первые концы 60С всех гибких приводных элементов 60 соединены с противовесом 50 в сборе посредством соответствующих соединительных компонентов 54 противовеса. В варианте осуществления, показанном на Фиг. 1, противовес 50 в сборе содержит поддерживающую конструкцию 51 с по существу тороидальной конфигурацией и центральным вертикальным отверстием 55. Поддерживающая конструкция 51 выполнена с конфигурацией, обеспечивающей возможность приема съемных дугообразных плит 52 противовеса, и расположена в пределах опорной конструкции 120 с возможностью смещения в вертикальном направлении внутри нее. Кроме того, показано направляющее средство для обеспечения перемещения в вертикальном направлении (показанное в виде направляющих роликов 56, выполненных с возможностью входа в контактное взаимодействие со стойками 20), предназначенное для направления перемещения противовеса 50 в сборе в вертикальном направлении внутри опорной конструкции 120. Данная проиллюстрированная конфигурация противовеса 50 в сборе представлена только в качестве неограничивающего примера, и противовес 50 в сборе может быть выполнен с другими альтернативными конфигурациями для удовлетворения определенных эксплуатационных требований.
Как также видно на Фиг. 1, вторые концы 60R всех гибких приводных элементов 60 проходят вниз через центральное отверстие 55 в поддерживающей конструкции 51 противовеса и соединены с элементом 40, входящим в контактное взаимодействие со штангой, посредством соответствующих соединительных компонентов 42 штангодержателей. Элемент 40, входящий в контактное взаимодействие со штангой, надежно входит в контактное взаимодействие с полированной штангой 15 посредством соответствующего держателя или держателей 44 для полированной штанги.
Таким образом, можно видеть, что приведение в действие всех приводных двигателей 70 в первом скоординированном направлении обеспечит подъем противовеса 50 в сборе (в то время как элемент 40, входящий в контактное взаимодействие со штангой, и взаимодействующая с ним колонна штанг перемещаются вниз) и что приведение в действие всех приводных двигателей 70 во втором скоординированном направлении (противоположном по отношению к первому скоординированному направлению) обеспечит подъем элемента 40, входящего в контактное взаимодействие со штангой, и взаимодействующей с ним колонны штанг (в то время как противовес 50 в сборе перемещается вниз).
Система энергопитания и управления (концептуально проиллюстрированная на Фиг. 1 и обозначенная ссылочной позицией 110) предусмотрена для приведения в действие приводных двигателей 70. Собственно говоря, приводные двигатели 70 образуют часть системы 110 энергопитания и управления, но в целях настоящего рассмотрения система 110 энергопитания и управления рассматривается как содержащая средства для приведения в действие приводных двигателей 70 и для управления их рабочими функциями. В предпочтительных вариантах осуществления насосных установок в соответствии с настоящим изобретением приводные двигатели 70 содержат гидравлические приводные двигатели, и в подобных вариантах осуществления система 110 энергопитания и управления будет содержать один или несколько первичных двигателей (непоказанных), обеспечивающих приведение в действие одного или нескольких гидравлических насосов, которые обеспечивают циркуляцию рабочей жидкости для гидравлических систем по направлению к приводным двигателям 70 и от приводных двигателей 70 посредством соответствующих гидравлических линий (концептуально показанных и обозначенных на Фиг. 1 ссылочной позицией 115).
Фиг. 3 иллюстрирует насосную установку 100 с верхним концом полированной штанги 15, выступающим над платформой 30, при этом соответствующие зажимы 46 для блокировки полированной штанги установлены в качестве меры предосторожности для предотвращения перемещения колонны насосных штанг в вертикальном направлении во время работ по сервисному/техническому обслуживанию и текущему ремонту. С аналогичными целями показаны соответствующие средства блокировки противовеса (проиллюстрированные в качестве примера в виде строительных балок 90, опирающихся на периферийный опорный элемент 25), установленные для предотвращения перемещения противовеса 50 в сборе вниз во время работ по сервисному/техническому обслуживанию и текущему ремонту.
Фиг. 4 иллюстрирует второй вариант 200 осуществления насосной установки в соответствии с настоящим изобретением. Насосная установка 200 отличается от насосной установки 100 по Фиг. 1-3 только тем, что насосная установка 200 показана с опорной конструкцией 210, имеющей квадратные стойки 220, квадратной платформой 230 для оборудования, квадратным противовесом 250 в сборе с L-образными плитами 252 противовеса, и с альтернативной схемой расположения приводных двигателей 70. В функциональном отношении насосная установка 200 по существу такая же, как насосная установка 100.
Фиг. 5 иллюстрирует третий вариант 300 осуществления насосной установки в соответствии с настоящим изобретением, приспособленный для использования вместе с наклонными скважинами. Насосная установка 300 имеет вертикальные стойки 320 и наклонные стойки 325, служащие опорой для платформы 330 для оборудования, при этом приводные двигатели 70 расположены (в качестве неограничивающего примера) аналогично схеме расположения на Фиг. 4. Противовес 350 в сборе по Фиг. 5 аналогичен противовесу 250 в сборе, показанному на Фиг. 4, но модифицирован для избежания столкновения с наклонными частями гибких приводных элементов 60, которые соединяют элемент 40, предназначенный для контактного взаимодействия со штангой и входящий в контактное взаимодействие с полированной штангой 15, выступающей из наклонного оборудования 10 устья скважины.
Фиг. 6 иллюстрирует альтернативную схему расположения приводных двигателей 70, показанную применительно к насосной установке 300 для наклонной скважины, подобной показанной на Фиг. 5. В данной схеме расположения имеются четыре гибких приводных элемента 60, как и в остальных проиллюстрированных вариантах осуществления, но только два приводных двигателя 70, каждый из которых имеет удлиненный приводной вол 72Е, предназначенный для контактного взаимодействия с двумя выполненными с возможностью вращения компонентами 80 привода. Несмотря на то, что это проиллюстрировано в связи с насосной установкой 300 для наклонной скважины, эта и аналогичные схемы расположения приводных двигателей, само собой разумеется, могут быть использованы вместе с другими вариантами осуществления насосной установки.
Фиг. 7 иллюстрирует четвертый вариант 400 осуществления насосной установки в соответствии с настоящим изобретением, имеющий противовес 450 в сборе, который смещен в боковом направлении от оборудования 10 устья скважины. Насосная установка 400 имеет опорную конструкцию 420 со стойками 425, первую консольную платформу 430С, несущую приводные двигатели 70С, взаимодействующие с противовесом 450 в сборе, и вторую консольную платформу 430R, несущую приводные двигатели 70R, взаимодействующие с полированной штангой 15. В проиллюстрированном варианте осуществления предусмотрены промежуточные соединители 65 для сращивания гибких приводных элементов 60, но подобные соединители являются необязательными.
Вариант осуществления, показанный на Фиг. 7, имеет два приводных двигателя 70С, соединенных посредством общего приводного вала 72С для обеспечения совместного вращения двух ведущих шкивов, взаимодействующих с противовесом 450 в сборе, и два приводных двигателя 70R, соединенных посредством общего приводного вала 72R для обеспечения совместного вращения двух ведущих шкивов, взаимодействующих с колонной штанг. Данное альтернативное расположение приводных двигателей, само собой разумеется, может быть использовано вместе с другими вариантами осуществления насосной установки.
Специалисты в данной области техники легко поймут, что различные модификации вариантов осуществления в соответствии с настоящим изобретением могут быть разработаны без отхода от объема и сущности настоящего изобретения, включая модификации, в которых могут быть использованы эквивалентные конструкции или материалы, разработанные или созданные в дальнейшем. В особенности следует понимать, что объем формулы изобретения, приложенной к данному описанию, не должен быть ограничен какими-либо конкретными вариантами осуществления, описанными и проиллюстрированными в данном документе, но должен рассматриваться в соответствии с самым широким толкованием, согласующимся с описанием в целом. Также следует понимать, что замена варианта заявленного элемента или признака без какого-либо существенного результирующего изменения функциональности не представляет собой отход от объема изобретения.
В данном патентном документе любую форму слова «содержать» следует понимать в ее неограничивающем смысле как означающую, что любой предмет, указанный после подобного слова, включен, но предметы, не упомянутые специально, не исключаются. Ссылка на элемент, упомянутый с неопределенным артиклем “a”, не исключает возможности наличия более одного подобного элемента, если контекст явным образом не требует того, что должен быть предусмотрен один и только один подобный элемент. Любое использование любой формы терминов «соединять», «контактно взаимодействовать», «сцеплять, спаривать», «прикреплять, присоединять» или любого другого термина, описывающего взаимодействие между элементами, не означает ограничения взаимодействия непосредственным/прямым взаимодействием между рассматриваемыми элементами, но также может охватывать непрямое/опосредованное взаимодействие между элементами, например, посредством вспомогательной или промежуточной конструкции. Предусмотрено, что термины, относящиеся к относительному положению, такие как «параллельный», «перпендикулярный» и «концентричный», не означают и не требуют абсолютной математической или геометрической точности. Соответственно, подобные термины следует понимать как означающие или требующие только точности в основном (например, «по существу параллельный»), если контекст явным образом не требует иного. Всякий раз, когда термины «типовой, типичный» и «типично, как правило» используются в данном документе, они должны толковаться в смысле отображения распространенного использования или практики, и их не следует толковать как подразумевающие существенность или неизменяемость.
1. Скважинная насосная установка, содержащая:
(а) платформу, опирающуюся на опорную конструкцию;
(b) два или более реверсивных приводных двигателей, смонтированных на платформе, при этом каждый реверсивный приводной двигатель имеет вращающийся приводной вал, функционально соединенный с взаимодействующим с ним, выполненным с возможностью вращения компонентом привода так, что приведение в действие приводного двигателя вызовет вращение взаимодействующего с ним, выполненного с возможностью вращения компонента привода с той же частотой вращения, что и у приводного вала;
(с) в сочетании с каждым реверсивным приводным двигателем, удлиненный гибкий приводной элемент, имеющий первый конец и второй конец, при этом указанный гибкий приводной элемент выполнен с возможностью контактного взаимодействия с взаимодействующим с ним, выполненным с возможностью вращения компонентом привода с обеспечением передачи тягового усилия, и указанный гибкий приводной элемент охватывает взаимодействующий с ним, выполненный с возможностью вращения, компонент привода и входит в контактное взаимодействие с взаимодействующим с ним, выполненным с возможностью вращения, компонентом привода с обеспечением передачи тягового усилия так, что:
с1. первый конец гибкого приводного элемента проходит под платформой и соединен с противовесом в сборе; и
с2. второй конец гибкого приводного элемента проходит под платформой и выполнен с возможностью соединения с колонной насосных штанг;
так что:
с3. вращение всех из двух или более реверсивных приводных двигателей в первом скоординированном направлении обеспечит подъем первых концов всех гибких приводных элементов; и
с4. вращение всех из двух или более реверсивных приводных двигателей во втором скоординированном направлении, противоположном по отношению к указанному первому скоординированному направлению, обеспечит подъем вторых концов всех гибких приводных элементов; и
(d) систему энергопитания и управления для регулирования работы реверсивных приводных двигателей.
2. Скважинная насосная установка по п. 1, в которой вторые концы всех гибких приводных элементов соединены с колонной насосных штанг, взаимодействующей с оборудованием устья скважины.
3. Скважинная насосная установка по п. 2, в которой выполненные с возможностью вращения компоненты привода, взаимодействующие с двумя или более реверсивными приводными двигателями, расположены на платформе так, что удлиненные гибкие приводные элементы несут по существу одинаковые процентные доли веса противовеса в сборе и несут по существу одинаковые процентные доли общего веса колонны насосных штанг и грузов, перемещаемых посредством нее.
4. Скважинная насосная установка по п. 2 или 3, в которой:
(а) колонна насосных штанг простирается от оборудования устья скважины с вертикальной ориентацией;
(b) противовес в сборе определяет границы вертикального канала, через который проходят вторые концы гибких приводных элементов для соединения с колонной насосных штанг; и
(с) центр тяжести противовеса концентричен относительно колонны насосных штанг.
5. Скважинная насосная установка по п. 2 или 3, в которой колонна насосных штанг проходит от оборудования устья скважины с невертикальной ориентацией.
6. Скважинная насосная установка по п. 2 или 3, в которой:
(а) колонна насосных штанг проходит от оборудования устья скважины с вертикальной ориентацией; и
(b) противовес в сборе смещен в боковом направлении от колонны насосных штанг.
7. Скважинная насосная установка по п. 1, в которой, по меньшей мере, один из двух или более реверсивных приводных двигателей представляет собой гидравлический двигатель.
8. Скважинная насосная установка по п. 1, в которой один из
выполненных с возможностью вращения компонентов привода представляет собой ведущую звездочку, при этом гибкий приводной элемент, взаимодействующий с указанной ведущей звездочкой, представляет собой приводную цепь.
9. Скважинная насосная установка по п. 1, в которой один из выполненных с возможностью вращения компонентов привода представляет собой ведущий шкив, при этом гибкий приводной элемент, взаимодействующий с указанным ведущим шкивом, представляет собой приводной ремень.
10. Скважинная насосная установка по п. 9, в которой приводной ремень представляет собой синхронный ремень и ведущий шкив представляет собой шкив для синхронного ремня.
11. Скважинная насосная установка по п. 1, дополнительно содержащая защитное ограждение, окружающее, по меньшей мере, часть вертикальной опорной конструкции.
12. Скважинная насосная установка по п. 1, дополнительно содержащая средства блокировки полированной штанги.
13. Скважинная насосная установка по п. 1, дополнительно содержащая средства блокировки противовеса.
