Пристрій призначений для використання в приводах свердловинних штангових насосних установок, безпосередньо з'єднаних з обсадними трубами. Мехатронні нефтекачалка (МН) являє собою поєднану конструкцію електродвигуна (ЕД), гвинтового перетворювача обертального руху в поступальний (ВП) і рекуператора енергії, що включає в себе пневмоциліндри (ПЦ) і ресивери (Р). Запропонована МН містить ЕД, встановлений на корпусі. Вал ЕД сочленен з гвинтом ВП, встановленим в підшипниках. Ходова гайка ВП сочленена з ходовими штоками, що проходять через наскрізні отвори підшипникового щита і з'єднаними з елементом передачі осьового зусилля. Корпус ПЦ з'єднаний з корпусом МН, поршневий шток ПЦ розміщений в наскрізному отворі підшипникового щита і сочленен з елементом передачі осьового зусилля. Вихлопні патрубки ПЦ своїми кінцями розміщені в отворах захисного кожуха ЕД. Мехатронні нефтекачалка має знижену власною масою і збільшеним ресурсом. 5 з.п.ф-ли, 1 мул.
Винахід відноситься до техніки для видобутку нафти, зокрема до приводу свердловинних штангових насосних установок, безпосередньо з'єднаних з обсадними трубами, і може бути використано при видобутку пластових рідин з нафтових та інших свердловин.
Відома Мехатронні нефтекачалка (патент США 3691858, кл. Н 02 К 7/10, "Електропривод"), що містить корпус, електродвигун, жорстко зчленований з корпусом, перетворювач обертального руху в поступальний, що складається з гвинта, з'єднаного за допомогою передавального ланки, наприклад редуктора, з валом електродвигуна, і ходової гайки, зчленованої за допомогою труби з елементом передачі осьового зусилля.
Недоліком відомої мехатронної нефтекачалкі, що працює в режимі односпрямованої осьового навантаження (наприклад, за рахунок ваги штанговий колони і плунжерного насоса в нафтосвердловині), є підвищене енергоспоживання через неможливість забезпечення рекуперації енергії за допомогою її накопичення в пасивному режимі холостого ходу (наприклад, при опусканні штанговий колони в свердловину) і використанні її в активному режимі (наприклад, при підйомі нафти на поверхню землі).
Відома також Мехатронні нефтекачалка (а.с. СРСР 989139, кл. F 04 В 47/02, "Привід свердловини штанговий насосної установки"), що є прототипом запропонованого винаходу, що містить фундамент з рейковими шляхами, корпус, електродвигун, жорстко з'єднаний з корпусом, блок управління з датчиками реверсу, гвинтовий перетворювач обертального руху в поступальний, що складається з гайки, жорстко зчленованої з ротором електродвигуна, і ходового гвинта, механічний рекуператор енергії, що включає в себе два обертових елемента з размещ тах на них гнучкими ланками, кінці яких шарнірно з'єднані з одного боку з противагою, а з іншого - з траверсою, пов'язаної з колоною насосних штанг.
Перевагою відомої мехатронної нефтекачалкі є наявність механічного рекуператора енергії у вигляді противаги, компенсуючого вага штанговий колони з плунжерним насосом, завдяки якому знижується потужність електродвигуна і, як результат, зменшується енергоспоживання приводу.
Недоліками відомої мехатронної нефтекачалкі є знижений ресурс, обумовлений консольні закріплення гвинта перетворювача обертального руху в поступальний і негерметичність корпусу приводу за рахунок наявності в ньому прорізів для пропуску гнучких елементів, що з'єднують через шків противагу і траверсу, пов'язану з колоною насосних штанг, що зумовлює можливість заносу за допомогою гнучких елементів забруднень з атмосфери на гвинт перетворювача обертального руху в поступальний. Недоліком відомої нефтекачалкі є також значна власна маса, обумовлена наявністю противаги. Крім того, відома Мехатронні нефтекачалка характеризується недостатнім вентиляційним обдувом електродвигуна внаслідок низької частоти обертання керованого реверсивного електродвигуна при безпосередньому зчленуванні ротора з гвинтовим перетворювачем обертального руху в поступальний. Обертання вентилятора, зчленованого з валом електродвигуна, з частотою, значно меншою в порівнянні з номінальною, обумовлює неефективність роботи вбудованого вентилятора. Ця обставина зумовлює необхідність використання в мехатронної нефтекачалке електродвигуна свідомо більшої потужності, що неминуче призведе до зростання її маси.
Завданням винаходу є створення мехатронної нефтекачалкі зі збільшеним ресурсом і зменшеною загальною масою.
Це досягається тим, що Мехатронні нефтекачалка, що містить корпус, електродвигун, зчленований з корпусом, блок управління з датчиками реверсу, гвинтовий перетворювач обертального руху в поступальний, що складається з ходової гайки і гвинта, зчленованого за допомогою передавального ланки з валом електродвигуна, забезпечена мінімум одним пневмоцилиндром, зчленованим з корпусом нефтекачалкі, який, в свою чергу, забезпечений підшипниковий щитом з мінімум двома наскрізними отворами, гвинт перетворювача встановлено в підшипнику у азанного щита, ходова гайка забезпечена мінімум одним штоком, розташованим в одному з наскрізних отворів щита і своїм кінцем зчленованим з елементом передачі осьового зусилля, поршневий шток пневмоциліндра розташований в іншому наскрізному отворі підшипникового щита і сочленен з елементом передачі осьового зусилля, електродвигун мехатронної нефтекачалкі забезпечений захисним кожухом з мінімум одним отвором, пневмоцилиндр забезпечений вихлопних патрубком, кінець якого розташований в зазначеному отворі.
Також Мехатронні нефтекачалка може бути забезпечена підшипниковий щитом і мінімум одним ресивером, одна з торцевих поверхонь якого з'єднана з підшипниковий щитом, а інша - з опорним щитом.
Крім того, Мехатронні нефтекачалка може бути забезпечена датчиками швидкості переміщення і положення штангового насоса, датчиком рівня нафти в свердловині, встановленим на гирлової частини обсадної труби.
Також Мехатронні нефтекачалка може бути забезпечена гальмом, що фіксує ходову гайку перетворювача обертального руху в поступальний в необхідному положенні.
Крім того, Мехатронні нефтекачалка може бути забезпечена шарнірним елементом, нерухома частина якого з'єднана з п'єдесталом, жорстко сполучених з обсадної трубою нафтосвердловин, а рухома частина сочленена з опорним щитом.
Також, Мехатронні нефтекачалка може бути забезпечена, як мінімум, трьома розчалками.
На кресленні зображена запропонована Мехатронні нефтекачалка (система управління роботою електродвигуна і датчики реверсу не наводяться).
Мехатронні нефтекачалка є поєднану конструкцію електродвигуна 1, датчиків положення і швидкості 2, перетворювача обертального руху в поступальний, що складається з ходової гайки 3 і гвинта 4, а також пневматичної рекуператора енергії, що складається з пневмоцилиндров 5 і ресіверів 6. Електродвигун 1 жорстко зчленований з корпусом 7, забезпеченим двома щитами 8 і 9, в підшипниках 10 і 11 яких встановлено гвинт 4 перетворювача обертального руху в поступальний. Підшипниковий щит 9 (з боку елемента передачі осьового зусилля 12, зчленованого з колоною штанг 13) забезпечений наскрізними отворами, через які проходять штоки 14, одним своїм кінцем зчленовані з ходовою гайкою 3, а іншим - з елементом передачі осьового зусилля 12 (на кресленні в як приклад показані два штока 14), а також штоки 15, одним своїм кінцем зчленовані з поршнем 16 пневмоциліндра 5, а іншим - з елементом передачі осьового зусилля 12 (на кресленні як приклад показані два штока 15). Гвинт 4 перетворювача обертального руху в поступальний сочленен з валом електродвигуна 1. Корпуси 17 пневмоцилиндров 5 (як приклад на кресленні представлено два пневмоциліндра) приєднані до корпусу 7 нефтекачалкі. Кінцеві частини вихлопних патрубків 18 пневмоцилиндров 5 (як приклад на кресленні представлено два вихлопних патрубка) встановлені в отворах захисного кожуха 19 електродвигуна 1. Ресивери 6 (як приклад на кресленні представлені чотири циліндричних ресивера, трубопроводи, їх з'єднують, не показані) одним своїм торцем з'єднані з платформою нефтекачалкі 20, іншим - з підшипниковий щитом 9. Ресивери 6, виконуючи своє основне призначення, є одночасно конструктивними елементами ферми, сочленяющаяся корпус 7 приводу з пл атформой 20 нефтекачалкі. Нерухома частина шарнірного елемента 21 сочленена з п'єдесталом 22 (платформа на гирлової частини обсадної труби 23), а рухома частина сочленена з платформою 20 нефтекачалкі. Датчик рівня нафти в свердловині 24 (наприклад, акустичний глибиномір) встановлено на обсадної трубі 23 нафтосвердловин. Протидія вітрового напору на Мехатронні нефтекачалку здійснюється за рахунок розчалок 25 (в якості прикладу на кресленні представлено чотири розчалювання).
Мехатронні нефтекачалка працює наступним чином. При подачі напруги від блоку управління на електродвигун 1 його вал, а отже, і зчленований з ним гвинт 4 починають обертатися. Ходова гайка 3 при цьому періодично переміщується в ту або іншу сторону в залежності від напрямку обертання валу електродвигуна. Періодично в ту чи іншу сторону буде також переміщатися елемент передачі осьового зусилля 12, пов'язаний з ходовою гайкою 3 за допомогою штоків 14. Наявність щита 9 і установка гвинта 4 перетворювача обертального руху в поступальний в двох підшипниках 10 і 11 усуває консольні гвинта, що має місце в прототипі . В результаті зростає міцність конструкції і, як наслідок, підвищується ресурс нефтекачалкі. Герметичність корпусу 7, всередині якого знаходиться перетворювач обертального руху в поступальний (наприклад, кулькові), оберігає від забруднення ходову гайку 3 і гвинт 4. В результаті зменшується знос елементів перетворювача і підвищується ресурс мехатронної нефтекачалкі.
Використання в якості рекуператора енергії пневмоцилиндров 5 з ресиверами 6 дозволяє істотно знизити власну масу нефтекачалкі, оскільки маса пневмоцилиндра спільно з ресивером значно менше маси противаги, відповідної масі штанговий колони і плунжерного насоса (в межах декількох тонн).
Особливістю роботи реверсивного електродвигуна, використовуваного в приводі відомої і пропонованої нефтекачалок, є знижена частота обертання. Природно, що штатний вентилятор електродвигуна, що знаходиться на валу ротора і обертається зі зниженою швидкістю, не може виконати свою основну функцію - відведення тепла, що виділяється електродвигуном. В результаті з'являється необхідність або введення додаткового вентилятора і електродвигуна, його крутного, або використовувати реверсивний електродвигун свідомо більшої потужності. І те й інше призводить до збільшення власної маси нефтекачалкі. У запропонованій конструкції мехатронної нефтекачалкі повітря з надпоршневого обсягу пневмоцилиндров 5 через патрубки 18 надходить всередину захисного кожуха 19, огинаючи поверхню електродвигуна 1. При опусканні штанговий колони поршень 16 пневмоцилиндра рухається вниз. Засмоктуваний з атмосфери повітря обтікає електродвигун, охолоджуючи його поверхню. При підйомі нафти з свердловини поршень 16 пневмоцилиндра рухається вгору, виштовхуючи надпоршневій повітря в захисний кожух 19. Таким чином, охолодження електродвигуна здійснюється безперервно. Наявність досить ефективного охолодження дозволяє використовувати в приводі електродвигун меншої потужності, наслідком чого є зниження власної маси нефтекачалкі.
Конструкція запропонованої нефтекачалкі дозволяє виключити фундамент і встановити Мехатронні нефтекачалку безпосередньо на обсадних труб 23 нафтосвердловин, що призводить до подальшого зниження маси нефтекачалкі.
Крім того, наявність датчика 24 рівня нафти в свердловині, а також датчиків положення і швидкості переміщення плунжерного насоса 2 дозволяє організувати замкнуту систему управління роботою приводу, що зумовлює можливість оперативно змінювати величину занурення і швидкість переміщення насоса в залежності від дебіту свердловини і кондиції нафти, наслідком чого є оптимальний характер роботи нефтекачалкі з максимальним коефіцієнтом корисної дії і мінімальними енерговитратами.
У запропонованій нефтекачалке функцію рейкових шляхів, що забезпечують переміщення нефтекачалкі по прототипу в сторону від обсадної труби, виконує шарнірне ланка 21, що дозволяє здійснювати нахил нефтекачалкі в потрібних межах (за рахунок зміни довжин розчалок), звільняючи гирлі обсадної труби для регламентних робіт на свердловині. Таким чином, введення шарнірного ланки 21 дозволяє усунути фундамент і рейкові шляхи і, як наслідок, знизити масу мехатронної нефтекачалкі і спростити її конструкцію.
Наявність у пропонованій мехатронної нефтекачалке гальма, котрий фіксує ходову гайку 3 і нафтову колону 13 в необхідному положенні, дозволяє спростити регламентні роботи (наприклад, ремонт і заміну пневмоцилиндров).
Крім того, розміщення зчленованих з ходовою гайкою 3 штоків 14 в наскрізних отворах підшипникового щита 9 зумовлює неможливість провертання ходової гайки 3. Внаслідок цього, відпадає необхідність в спеціальних пристроях фіксації ходової гайки 3 від провертання, що призводить до спрощення конструкції.
1. Мехатронні нефтекачалка, що містить корпус, електродвигун, зчленований з корпусом, рекуператор енергії, блок управління з датчиками реверсу, гвинтовий перетворювач обертального руху в поступальний, що складається з гайки і гвинта, зчленованого за допомогою передавального ланки з валом електродвигуна, що відрізняється тим, що вона забезпечена елементом передачі осьового зусилля, рекуператор енергії виконаний у вигляді як мінімум одного пневмоцилиндра, зчленованого з корпусом нефтекачалкі, який, в свою чергу, забезпечений підшипниковий ітом з мінімум двома наскрізними отворами, гвинт перетворювача встановлено в підшипнику зазначеного щита, ходова гайка забезпечена мінімум одним штоком, розташованим в одному з наскрізних отворів щита і своїм кінцем зчленованим з елементом передачі осьового зусилля, поршневий шток пневмоциліндра розташований в іншому наскрізному отворі підшипникового щита і сочленен з елементом передачі осьового зусилля, електродвигун забезпечений захисним кожухом з мінімум одним отвором, пневмоцилиндр забезпечений вихлопних патрубком, кінець якого располо дружин в зазначеному отворі.
2. Мехатронні нефтекачалка по п.1, що відрізняється тим, що вона забезпечена опорним щитом, а рекуператор енергії має додатково мінімум один ресивер, одна торцева поверхня якого з'єднана з підшипниковий щитом, а інша - з опорним щитом.
3. Мехатронні нефтекачалка по п.2, що відрізняється тим, що вона забезпечена шарнірним елементом, нерухома частина якого з'єднана з п'єдесталом, жорстко сполучених з обсадної трубою нафтосвердловин, а рухома частина - з опорним щитом.
4. Мехатронні нефтекачалка по п.1, що відрізняється тим, що вона забезпечена датчиком положення, датчиком швидкості лінійного переміщення елемента передачі осьового зусилля і датчиком рівня нафти в свердловині, встановленим на гирлової частини обсадної труби.
5. Мехатронні нефтекачалка по п.1, що відрізняється тим, що перетворювач обертального руху в поступальний забезпечений гальмом.
6. Мехатронні нефтекачалка по п.1, що відрізняється тим, що вона забезпечена як мінімум трьома розчалками.