RU2193111C1

RU2193111C1 - Hydraulic drive of down-hole pump

Info

Publication number: RU2193111C1
Application number: RU2001124640/06A
Authority: RU
Inventors: В.И. Усок; Р.Я. Шварев; О.В. Могильников
Original assignee: Закрытое акционерное общество "Уралкран"
Priority date: 2001-09-06
Filing date: 2001-09-06
Publication date: 2002-11-20

Abstract

FIELD: hydraulic machinery of volumetric displacement, drives including hydraulic or pneumatic means designed to lift fluids from great depth. SUBSTANCE: drive includes working cylinder 1 divided by piston 2 into piston 3 and rod 4 spaces, auxiliary tandem cylinder 5 with rod 6 and pistons 7 and 8 positioned on its ends and mounted on both sides of strap 9. Second piston space 11 of tandem cylinder 5 communicates through pipe-line 19, hydraulic distributor 15 with pump 16 and drain 17. EFFECT: enhanced operational reliability of pump installation thanks to reduced compressing force acting on rod of piston of working cylinder and string of bars in cases of rising resistance to travel of pump plunger. 2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к гидравлическим машинам объемного вытеснения, точнее к приводным устройствам, включающим гидравлические или пневматические средства, и может быть использовано в качестве привода насосов, предназначенных для подъема жидкостей с больших глубин. The invention relates to hydraulic machines for volume displacement, more specifically to drive devices, including hydraulic or pneumatic means, and can be used as a drive for pumps designed to lift liquids from great depths.

Известны штанговые глубиннонасосные установки с балансирным приводом (станки - качалки, например А.Г. Молчанов. Гидроприводные штанговые скважинные насосные установки. М.: Недра, 1982, с. 7-8, рис. 11). Well-known deep-well sucker-rod installations with a balancing drive (rocking machines, for example, AG Molchanov. Hydraulic sucker-rod pumping well installations. M: Nedra, 1982, p. 7-8, Fig. 11).

Недостатком балансирных приводов глубиннонасосных установок являются большие габариты и металлоемкость конструкции. Кроме того, при работе таких установок в случае увеличения сопротивления движению плунжера насоса (из-за искривления скважины, запарафинивания скважины, заклинивания плунжера скважинного насоса и др.) происходит провисание троса, соединяющего балансир с колонной штанг, при этом тросовая подвеска соскальзывает с головки балансира или с траверсы подвески устьевого штока, что может привести к выходу из строя редуктора или двигателя станка-качалки из-за разбалансирования установки или изгибу устьевого штока. The disadvantage of balancing drives of deep pump installations is the large size and metal structure. In addition, during the operation of such installations, if the resistance to the movement of the pump plunger increases (due to well curvature, well paraffining, jamming of the borehole pump plunger, etc.), the cable sags connecting the balancer to the rod string, while the cable suspension slides off the head of the balancer or from the traverse of the suspension of the wellhead rod, which can lead to failure of the gearbox or the engine of the rocking machine due to unbalance of the installation or bending of the wellhead.

Известны также гидрофицированные приводы штанговых глубиннонасосных установок, имеющие меньшие габариты и металлоемкость и не требующие для установки фундаментов. Also known are hydroficated drives of deep-well rod pump installations, which have smaller dimensions and metal consumption and do not require foundations to be installed.

Гидрофицированный привод (А.Г. Молчанов. Гидроприводные штанговые скважинные насосные установки. М.: Недра, 1982, с. 25-26, рис. 1.9) содержит рабочий цилиндр и вспомогательный тандемный цилиндр, имеющий шток с поршнями на концах, аккумулятор давления с жидкостной и газовой полостями. A hydroficated drive (A.G. Molchanov. Hydraulic driven sucker rod pumping units. M .: Nedra, 1982, pp. 25-26, Fig. 1.9) contains a working cylinder and an auxiliary tandem cylinder having a rod with pistons at the ends, a pressure accumulator with liquid and gas cavities.

Такой привод имеет сложную гидравлическую схему, что объясняется наличием двух замкнутых гидравлических контуров, а следовательно, наличием двух узлов компенсации утечек рабочей жидкости из замкнутых гидравлических контуров. Such a drive has a complex hydraulic circuit, which is explained by the presence of two closed hydraulic circuits, and therefore, the presence of two nodes for compensating the leakage of the working fluid from the closed hydraulic circuits.

Наиболее близким к заявляемому и принятым за прототип является гидравлический привод подъемного устройства, содержащий рабочий цилиндр и вспомогательный тандемный цилиндр со штоком с закрепленными на его концах поршнями, установленными с образованием четырех полостей - двух поршневых, одна из которых соединена с источником сжатого газа, и двух штоковых, одна из которых соединена через гидрораспределитель с насосом и сливом, а вторая - со штоковой полостью рабочего цилиндра (патент РФ 2134360, МПК⁶ F 04 B 47/04).Closest to the claimed and adopted as a prototype is a hydraulic drive of a lifting device containing a working cylinder and an auxiliary tandem cylinder with a rod with pistons fixed at its ends, mounted with the formation of four cavities - two piston cavities, one of which is connected to a source of compressed gas, and two rod, one of which is connected through a valve to the pump and drain, and the second to the rod cavity of the working cylinder (RF patent 2134360, IPC ⁶ F 04 B 47/04).

Такой привод имеет более простую гидравлическую схему, так как содержит один замкнутый гидравлический контур с одним узлом компенсации утечек рабочей жидкости. Such a drive has a simpler hydraulic circuit, as it contains one closed hydraulic circuit with one node for compensating for leaks of the working fluid.

Однако при работе установки с такими приводом в случае увеличения сопротивления движению плунжера насоса на шток поршня рабочего цилиндра и связанную с ним колонну штанг действует сжимающее усилие, вызывающее их изгиб и снижающее надежность работы всей установки. However, when the installation is operated with such a drive, in the event of an increase in the resistance to movement of the pump plunger, a compressive force acts on the piston rod of the working cylinder and the associated rod string, causing them to bend and reduce the reliability of the entire installation.

Задачей изобретения является повышение надежности работы насосной установки за счет уменьшения сжимающего усилия, действующего на шток поршня рабочего цилиндра и связанную с ним колонну штанг в случае увеличения сопротивления движению плунжера насоса. The objective of the invention is to increase the reliability of the pump installation by reducing the compressive force acting on the piston rod of the working cylinder and the associated rod string in case of increased resistance to movement of the pump plunger.

Поставленная задача достигается за счет усовершенствования гидравлического привода скважинного насоса, содержащего рабочий цилиндр и вспомогательный тандемный цилиндр со штоком с закрепленными на его концах поршнями, установленными с образованием четырех полостей - двух поршневых, первая из которых соединена с источником сжатого газа, и двух штоковых, первая из которых соединена через гидрораспределитель с насосом и сливом, а вторая - со штоковой полостью рабочего цилиндра. The task is achieved by improving the hydraulic drive of a borehole pump containing a working cylinder and an auxiliary tandem cylinder with a rod with pistons fixed at its ends, installed with the formation of four cavities - two piston cavities, the first of which is connected to a compressed gas source, and two rod, of which is connected through a hydraulic distributor to a pump and a drain, and the second to the rod cavity of the working cylinder.

Это усовершенствование заключается в том, что вторая поршневая полость тандемного цилиндра соединена через гидрораспределитель с насосом и сливом. This improvement consists in the fact that the second piston cavity of the tandem cylinder is connected through a hydraulic distributor to a pump and a drain.

Кроме того, поршневая полость рабочего цилиндра может быть соединена со сливом трубопроводом с обратным клапаном. In addition, the piston cavity of the working cylinder can be connected to the drain pipe with a check valve.

Кроме того, первая поршневая и смежная с ней штоковая полости тандемного цилиндра могут иметь диаметр, больший диаметра второй поршневой и смежной с ней штоковой полости тандемного цилиндра. In addition, the first piston and adjacent rod cavity of the tandem cylinder may have a diameter greater than the diameter of the second piston and adjacent rod cavity of the tandem cylinder.

Соединение второй поршневой полости тандемного цилиндра через гидрораспределитель с насосом обеспечивает подачу рабочей жидкости во вторую поршневую полость тандемного цилиндра для перемещения поршня рабочего цилиндра вниз под действием собственного веса и веса штока поршня рабочего цилиндра и связанной с ним колонны штанг, что уменьшает сжимающие усилия, действующие на шток поршня рабочего цилиндра и связанную с ним колонну штанг, вызывающее их изгиб в случае увеличения сопротивления движению плунжера насоса. The connection of the second piston cavity of the tandem cylinder through the valve with the pump provides the working fluid in the second piston cavity of the tandem cylinder to move the piston of the working cylinder down under the action of its own weight and the weight of the piston rod of the working cylinder and the associated rod string, which reduces the compressive forces acting on the piston rod of the working cylinder and the associated rod string, causing them to bend if resistance to movement of the pump plunger increases.

Соединение второй поршневой полости тандемного цилиндра через гидрораспределитель со сливом обеспечивает перемещение поршня рабочего цилиндра вверх при подаче рабочей жидкости в штоковую полость тандемного цилиндра. The connection of the second piston cavity of the tandem cylinder through a directional valve with a drain ensures that the piston of the working cylinder moves upward when the working fluid is fed into the rod cavity of the tandem cylinder.

Выполнение первой поршневой и смежной с ней штоковой полости тандемного цилиндра диаметром большим, чем диаметр второй поршневой и смежной с ней штоковой полости тандемного цилиндра, обеспечивает возможность работы привода при меньшем давлении в штоковой полости рабочего цилиндра, что повышает ресурс его работы за счет уменьшения износа элементов уплотнения поршня рабочего цилиндра. За счет того что работа привода происходит при поочередной подаче рабочей жидкости от насоса во вторую поршневую или смежную с ней штоковую полости тандемного цилиндра, имеющие меньший объем, можно использовать насос с небольшим рабочим объемом. The implementation of the first piston and adjacent rod cavity of the tandem cylinder with a diameter larger than the diameter of the second piston and adjacent rod cavity of the tandem cylinder, allows the drive to operate at lower pressure in the rod cavity of the working cylinder, which increases its service life by reducing wear of elements piston seals for the working cylinder. Due to the fact that the drive is operated by alternately supplying the working fluid from the pump to the second piston or adjacent rod end of the tandem cylinder having a smaller volume, a pump with a small displacement can be used.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена гидравлическая схема предлагаемого привода, на фиг.2 - тандемный цилиндр с первой поршневой и смежной с ней штоковой полостью, имеющими диаметр, больший диаметра второй поршневой и смежной с ней штоковой полости. The invention is illustrated by drawings, where Fig. 1 shows a hydraulic diagram of the proposed drive, Fig. 2 shows a tandem cylinder with a first piston and adjacent rod cavity having a diameter larger than the diameter of the second piston and adjacent rod cavity.

Гидравлический привод скважинного насоса содержит рабочий цилиндр 1, разделенный поршнем 2 на поршневую 3 и штоковую 4 полости, и вспомогательный тандемный цилиндр 5 со штоком 6 с расположенными на его концах поршнями 7 и 8, установленными по обе стороны перемычки 9. Перемычка 9 и поршни 7 и 8 образуют четыре полости - две поршневые 10 и 11 и две штоковые 12 и 13. Полость 10 соединена с источником сжатого газа - емкостью 14, штоковая полость 12 соединена через гидрораспределитель 15 с насосом 16 и сливом 17, а вторая штоковая полость 13 соединена трубопроводом 18 со штоковой полостью 4 рабочего цилиндра 1, образуя замкнутый гидравлический контур. Вторая поршневая полость 11 тандемного цилиндра 5 соединена трубопроводом 19 через гидрораспределитель 15 с насосом 16 и сливом 17. В варианте (фиг.2) первая поршневая 10 и смежная с ней штоковая 13 полости тандемного цилиндра 5 имеют диаметр больше (в ~1,3 раза), чем диаметр второй поршневой 11 и смежной с ней штоковой 12 полостей тандемного цилиндра 5. Поршень 2 рабочего цилиндра 1 штоком 20 соединен с колонной штанг 21, связанной с поршнем скважинного насоса. Поршневая полость 3 рабочего цилиндра 1 соединена со сливом 17 трубопроводом 22 с обратным клапаном 23. Система компенсации утечек из замкнутого гидравлического контура (полость 13, трубопровод 18, полость 4) содержит обратный клапан 24, плунжерный насос (плунжер 25, цилиндр насоса в приведенном варианте образован полостью 26 в штоке 6) и второй обратный клапан 27. The hydraulic drive of the borehole pump comprises a working cylinder 1, divided by a piston 2 into a piston 3 and a rod 4 cavity, and an auxiliary tandem cylinder 5 with a rod 6 with pistons 7 and 8 located at its ends, mounted on both sides of the jumper 9. The jumper 9 and the pistons 7 and 8 form four cavities - two piston 10 and 11 and two rod 12 and 13. The cavity 10 is connected to a compressed gas source - capacity 14, the rod cavity 12 is connected through a valve 15 to the pump 16 and the drain 17, and the second rod cavity 13 is connected by a pipeline 18 with a rod cavity 4 of the working cylinder 1, forming a closed hydraulic circuit. The second piston cavity 11 of the tandem cylinder 5 is connected by a pipe 19 through the valve 15 to the pump 16 and the drain 17. In the embodiment (Fig. 2), the first piston 10 and the rod 13 of the cavity of the tandem cylinder 5 adjacent to it have a diameter greater than (1.3 times) ) than the diameter of the second piston 11 and the rod 12 of the cavities of the tandem cylinder 5 adjacent to it. The piston 2 of the working cylinder 1 by the rod 20 is connected to the rod string 21 connected to the piston of the well pump. The piston cavity 3 of the working cylinder 1 is connected to the drain 17 by a pipe 22 with a non-return valve 23. The system for compensating for leaks from a closed hydraulic circuit (cavity 13, pipe 18, cavity 4) contains a non-return valve 24, a plunger pump (plunger 25, a pump cylinder in the above embodiment formed by a cavity 26 in the stem 6) and a second check valve 27.

Работа гидропривода происходит следующим образом. The operation of the hydraulic drive is as follows.

Перед началом работы поршень 2 рабочего цилиндра 1 и поршни 7 и 8 тандемного цилиндра 5 находятся в нижнем по чертежу положении. Штоковые полости 12 и 13 тандемного цилиндра 5 заполнены жидкостью, а полость 10 и емкость 14 - сжиженным газом. Давление этого газа передается через поршень 8 на жидкость в полости 13 и через трубопровод 18 на жидкость в полости 4 рабочего цилиндра 1 и на поршень 2 этого цилиндра, уравновешивая вес самого поршня 2, штока 20 и колонны штанг 21 скважинного насоса (не показан). Before starting work, the piston 2 of the working cylinder 1 and the pistons 7 and 8 of the tandem cylinder 5 are in the lower position in the drawing. The rod cavities 12 and 13 of the tandem cylinder 5 are filled with liquid, and the cavity 10 and the container 14 are filled with liquefied gas. The pressure of this gas is transmitted through the piston 8 to the fluid in the cavity 13 and through the pipe 18 to the fluid in the cavity 4 of the working cylinder 1 and to the piston 2 of this cylinder, balancing the weight of the piston 2, the rod 20 and the rod string 21 of the well pump (not shown).

При подаче жидкости от насоса 16 через гидрораспределитель 15 (находящийся в положении, показанном на чертеже) в полость 12 поршень 7 поднимается и через шток 6 тянет за собой поршень 8, который по трубопроводу 18 вытесняет жидкость из полости 13 тандемного цилиндра 5 в полость 4 рабочего цилиндра 1. Под давлением этой жидкости поршень 2 рабочего цилиндра 1 поднимается и тянет за собой шток 20, связанный с колонной штанг 21. При достижении поршнем 2 крайнего верхнего положения срабатывает переключатель (не показан), переводя гидрораспределитель 15 в левое (по чертежу) положение. Рабочая жидкость от насоса 16 через гидрораспределитель 15 по трубопроводу 19 поступает в поршневую полость 11 тандемного цилиндра 5, перемещая поршень 7 и связанный с ним поршень 8 вниз. При движении вниз поршня 8 жидкость из полости 4 рабочего цилиндра 1 по трубопроводу 18 перетекает в штоковую полость 13 тандемного цилиндра 5, не препятствуя поршню 2 перемещаться вниз под действием собственного веса и веса штока 20 поршня 2 рабочего цилиндра 1 и связанной с ним колонны штанг 21. В случае увеличения сопротивления движению плунжера насоса (не показан) на шток 20 поршня 2 рабочего цилиндра 1 и связанную с ним колонну штанг 21 действует сжимающее усилие, определяемое только весом поршня 2, штока 20 рабочего цилиндра 1 и связанной с ним колонны штанг 21. When the fluid is supplied from the pump 16 through the control valve 15 (located in the position shown in the drawing) to the cavity 12, the piston 7 rises and pulls the piston 8 through the stem 6, which displaces the fluid from the cavity 13 of the tandem cylinder 5 into the cavity 4 of the working cylinder through line 18 cylinder 1. Under the pressure of this fluid, the piston 2 of the working cylinder 1 rises and pulls the rod 20 connected with the rod string 21. When the piston 2 reaches its highest position, a switch (not shown) is actuated, moving the control valve 15 to the left e (in the drawing) position. The working fluid from the pump 16 through the valve 15 through the pipe 19 enters the piston cavity 11 of the tandem cylinder 5, moving the piston 7 and the associated piston 8 down. When the piston 8 moves downward, the fluid from the cavity 4 of the working cylinder 1 flows through the pipe 18 into the rod cavity 13 of the tandem cylinder 5, without preventing the piston 2 from moving downward due to its own weight and the weight of the rod 20 of the piston 2 of the working cylinder 1 and the associated rod string 21 In the case of increased resistance to movement of the pump plunger (not shown), a compressive force acts on the rod 20 of the piston 2 of the working cylinder 1 and the associated column of the rods 21, determined only by the weight of the piston 2, the rod 20 of the working cylinder 1 and the associated number nna rods 21.

В процессе работы в поршневой полости 3 рабочего цилиндра 1 из-за возможных утечек в уплотнении поршня 2 накапливается рабочая жидкость, под давлением которой открывается обратный клапан 23, и эта жидкость по трубопроводу 22 поступает на слив 17. During operation, in the piston cavity 3 of the working cylinder 1, due to possible leaks in the piston seal 2, the working fluid accumulates, under the pressure of which the check valve 23 opens, and this fluid flows through the pipe 22 to the drain 17.

При нехватке рабочей жидкости из-за возможных утечек в замкнутом гидравлическом контуре (полость 13, трубопровод 18, полость 4) величина хода поршней 7 и 8 (вверх по чертежу) увеличивается. При движении вверх поршней 7 и 8 рабочая жидкость открывает клапан 27 и поступает в полость 26 в штоке 6. При дальнейшем движении вверх поршня 8 плунжер 25 погружается в полость 26, создавая давление, закрывающее клапан 27 и открывающее клапан 24, через который жидкость из полости 26 поступает в полость 13 замкнутого контура. If there is a shortage of working fluid due to possible leaks in a closed hydraulic circuit (cavity 13, pipe 18, cavity 4), the stroke of the pistons 7 and 8 (upward in the drawing) increases. When the pistons 7 and 8 move upward, the working fluid opens the valve 27 and enters the cavity 26 in the stem 6. Upon further upward movement of the piston 8, the plunger 25 is immersed in the cavity 26, creating a pressure that closes the valve 27 and opens the valve 24, through which the fluid from the cavity 26 enters the cavity 13 of the closed loop.

В варианте (фиг.2) при поочередной подаче рабочей жидкости от насоса 16 в первую 10 поршневую или смежную с ней штоковую 13 полости тандемного цилиндра 5, имеющие больший объем, чем полости 10 и 13, можно использовать насос 16 с небольшим рабочим объемом, при этом обеспечивается требуемое параметрами скважинного насоса перемещение поршня 2 рабочего цилиндра 1. Работа привода происходит при меньшем давлении в штоковой 4 полости рабочего цилиндра 1, что повышает ресурс его работы за счет уменьшения износа элементов уплотнения поршня 2 рабочего цилиндра 1. In the embodiment (FIG. 2), when the working fluid is supplied alternately from the pump 16 to the first 10 piston or adjacent rod 13 cavities of the tandem cylinder 5 having a larger volume than the cavities 10 and 13, a pump 16 with a small displacement can be used, this ensures the movement of the piston 2 of the working cylinder 1 required by the parameters of the borehole pump. The drive operates at lower pressure in the rod 4 of the cavity of the working cylinder 1, which increases its service life by reducing the wear of the sealing elements of the piston 2 of the working cylinder and 1.

Таким образом, предлагаемый привод позволяет повысить надежность работы насосной установки за счет уменьшения сжимающего усилия, действующего на шток 20 поршня 2 рабочего цилиндра 1 и связанную с ним колонну штанг 21 в случае увеличения сопротивления движению плунжера скважинного насоса. Thus, the proposed drive can improve the reliability of the pump installation by reducing the compressive force acting on the rod 20 of the piston 2 of the working cylinder 1 and the associated column of rods 21 in case of increased resistance to movement of the plunger of the well pump.

Claims

1. The hydraulic drive of the borehole pump, comprising a working cylinder and an auxiliary tandem cylinder with a rod with pistons fixed at its ends, installed to form four cavities - two piston cavities, the first of which is connected to a source of compressed gas, and two rod, the first of which is connected through a control valve with a pump and a drain, and the second with a rod cavity of the working cylinder, characterized in that the second piston cavity of the tandem cylinder is connected via a control valve to the pump and drain.

2. The hydraulic actuator according to claim 1, characterized in that the piston cavity of the working cylinder is connected to the drain by a pipeline with a check valve.

3. The hydraulic actuator according to claim 1 or 2, characterized in that the first piston and adjacent rod cavity of the tandem cylinder have a diameter larger than the diameter of the second piston and adjacent rod cavity of the tandem cylinder.