В нефтедобывающей отрасли эффективность во многом зависит от типа применяемого оборудования. Для полноценной комплектации и эффективной добычи необходим станок-качалка. Это оборудование является неотъемлемой частью нефтедобывающего комплекса.

Конструктивные особенности

Станки-качалки предназначены для передачи поступательного движения глубинному штанговому насосу, расположенному на дне скважины. Для уменьшения затрат на энергию оборудование должно обладать уникальной кинематической схемой. Дополнительным условием является применение современных комплектующих и компонентов.

Для анализа функциональности и особенности работы необходимо ознакомиться с конструкцией, которой обладает станок-качалка. Он состоит из силовой установки, вращательное движение от которой поступает на ведущий вал редуктора. На нем расположен кривошип с системой противовесов. Для связи кривошипа с балансиром предусмотрены шатуны и траверсы. В свою очередь, балансир установлен на опорной стойке. Для уменьшения затраты энергии на торцевой части балансира расположена откидная головка.

Правильно установленный станок имеет следующие эксплуатационные качества:

• высокий показатель КПД. Обусловлен системой противовесов, которые позволят оптимизировать затраты энергии;
• надежность. Станок качалка способен работать продолжительное время. Главное — обеспечивать должный уровень смазки подвижных механизмов;
• сложность установки. Для нормальной эксплуатации станки-качалки необходимо устанавливать на обустроенные опорные платформы. Чаще всего их изготавливают методом заливки бетонной смесью.

Наряду с этой конструкцией в нефтедобывающей отрасли применяется безбалансировочное оборудование. Эти модели отличаются относительно небольшими размерами и массой, но при этом обладают более низким показателем КПД. Чаще всего устанавливаются в труднодоступных районах или местах, где обустройство полноценного фундамента затруднено.

В качестве привода чаще всего используются электродвигатели, скорость вращения вала которых не превышает 1500 об/мин. Изменение этого параметра выполняется с помощью коробки передач или ее клиноременного аналога.

Основные характеристики

Каждый станок качалка обладает индивидуальными параметрами, которые зависят от требуемых эксплуатационных свойств. Однако наряду с ними данный тип оборудования имеет общие технические характеристики. Для анализа качества станка рекомендуется ознакомиться с ними.

Все станки-качалки должны обладать достаточно высокой производительностью. Она определяется движением штока и его интенсивностью. Помимо этого, следует учитывать эксплуатационные качества: ремонтопригодность, размеры, общую массу и сложность обслуживания. Это является важным, так как зачастую станок качалка устанавливается вдали от населенных пунктов, что затрудняет ремонт в случае возникновения поломки.

Перечень основных технических характеристик:

• максимально допустимый показатель нагрузки на устьевом штоке. Он может варьироваться от 30 до 100 кН;
• длина хода штока. Обычно она составляет от 1,2 до 3 м;
• крутящий момент вала выходного редуктора. Он влияет на интенсивность движения штока и может быть равен от 6,3 до 56 кНм;
• число ходов балансира варьируется от 1,2 до 15 в минуту.

Станок-качалка может иметь различный показатель массы, который зависит от размеров его составных элементов. В среднем вес конструкции составляет от 3,8 до 14 тонн. При этом габариты варьируются от 4,125*1,35*3,245 м до 7,95*2,25*5,83 м. Для повышения безопасности эксплуатации станок качалка комплектуется блоком управления, который предотвращает самопроизвольный запуск электродвигателя в случае отключения энергии. Это же помогает избежать аварийных ситуаций при механических поломках компонентов.

Станки-качалки могут регулироваться по нескольким параметрам, определяющими из которых является длина хода штока, а также число колебаний балансира. В каждой модели способы регулировки различны.

Особенности эксплуатации

Современный станок качалка относится к классу сложного оборудования и состоит из множества компонентов. Поэтому его эксплуатация подразумевает детальное изучение устройства, основных параметров оборудования и неукоснительное соблюдение техники безопасности.

Прежде всего необходимо сделать корректную установку оборудования. При этом учитывается не только его масса и габариты, но и характеристики грунта. В некоторых случаях для модели с небольшим весом достаточно обустроить свайный фундамент. Но чаще всего необходимо устанавливать железобетонную плиту, которая равномерно распределит вес оборудования.

Основные правила эксплуатации:

• рабочий персонал должен пройти инструктаж по технике безопасности, детально узнать характеристики и устройство станка;
• выполнение профилактических мероприятий по поддержанию установки в нормальном состоянии;
• в случае возникновения аварийной ситуации оборудование должно быть отключено, работа прекращена;
• устранением неполадок могут заниматься только квалифицированные специалисты.

При соблюдении этих правил станок-качалка прослужит длительное время и при этом сохранит свои изначальные эксплуатационно-технические свойства.

Для наглядного ознакомления с принципом работы рекомендуется посмотреть видеоматериал, в котором показаны станки-качалки:

Требования безопасности при эксплуатации и обслуживании нагнетательных скважин

7.3.5.1. Оборудование устья нагнетательной скважины должно соответствовать проекту, при разработке которого должны быть учтены состав, физико-химические свойства нагнетаемого агента и максимальное ожидаемое давление нагнетания.

7.3.5.2. Нагнетательные скважины должны оборудоваться колонной НКТ и, при необходимости, пакерующим устройством, обеспечивающим защиту и изоляцию эксплуатационной колонны от воздействия на нее закачиваемого агента.

7.3.5.3. Для исключения замерзания воды в арматуре скважины и системе нагнетания при остановках необходимо предусматривать полное удаление воды из арматуры и системы подачи рабочего агента и заполнение указанного оборудования незамерзающей жидкостью.

7.3.5.4. На устьевой арматуре нагнетательных скважин не должно быть каких-либо пропусков через сальники, фланцевые соединения и задвижки. На всех фланцах, не имеющих металлических уплотнительных колец, должны устанавливаться защитные металлические кожухи. Результаты осмотра должны быть занесены в журнал осмотра и ремонта оборудования.

7.3.6.1. Для обслуживания электропривода и тормозного устройства станка-качалки устраивается площадка с ограждением.

7.3.6.2. Станок-качалка должен иметь ограждения кривошипно-шатунного механизма и клиноременной передачи.

7.3.6.3. Станок-качалка должен быть установлен так, чтобы исключалось соприкосновение движущихся частей с фундаментом или грунтом.

7.3.6.4. При посторонних стуках и шумах в узлах станка-качалки его следует немедленно остановить и сообщить мастеру или начальнику цеха.

7.3.6.5. При осмотре остановленного станка-качалки проверить:

a) состояние деталей являющихся источником обнаруженных вибраций и необычных шумов;

b) прочность болтовых креплений и шпоночных соединений;

c) крепление кривошипных и верхних пальцев шатунов, противовесов на кривошипах;

d) исправность ограждений, лестниц, площадок, электродвигателя;

e) надежность соединения канатной подвески с полированным штоком и герметичность сальника полированного штока;

f) состояние канатов канатной подвески;

g) исправность тормоза;

h) равномерность натяжения клиновых ремней;

i) крепление электродвигателя к салазкам.

7.3.6.6. Снимать и надевать клиновые ремни необходимо только после их ослабления, передвигая электродвигатель на салазках в направлении редуктора (выполнять эту работу рычагами запрещается).

7.3.6.7. Смена ремней станка-качалки должна осуществляться путем передвижения электродвигателя при заторможенном редукторе станка-качалки.

7.3.6.8. Количество ремней должно быть не менее трех. Ремни должны быть подобраны по профилю и соответственно натянуты.

7.3.6.9. Перед пуском станка-качалки в работу следует установить ограждения на место, убрать инструмент и другие предметы, убедиться в отсутствии людей около движущихся частей и только после включать станок-качалку в работу.

ЭКОНОМИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ

Организация производственного процесса

РАЗДЕЛ БЕЗОПАСНОСТИ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ

Обслуживание станков-качалок

За работой станка-качалки, состоянием устьевого оборудования и подачей жидкости по добыче нефти ведет круглосуточное наблюдение.

Смазка трущихся частей является основным условием долговременной и бесперебойной работы насосной установки. Поэтому бригада по добыче нефти должна постоянно следить, чтобы все трущиеся части станков-качалок были хорошо и своевременно смазаны.

Обязательным условием надежной и бесперебойной работы станков-качалок является их уравновешивание. При пуске новой скважины в эксплуатацию, а также при изменении диаметра и глубины подвески насоса, диаметра насосных штанг и т. д. необходимо проверять уравновешенность станка-качалки. Осматривать и контролировать состояние наземного оборудования надо не реже одного раза за вахту.

При проверке станка-качалки осматривают состояние всех масленок, проверяют наличие смазки в них, уровень масла в редукторе, а также нагрев и крепление всех подшипников, ослабленные подшипники подтягивают. Осматривают и проверяют соединения шатунов с балансиром и кривошипами. Проверяют состояние крепления противогрузов на кривошипах и балансире. Проверяют (только после остановки станка-качалки) равномерность натяжения клиновидных ремней. Проверяют крепление сальникового штока к подвеске станка-качалки и герметичность сальника; при пропуске жидкости через сальник тройника нужно подтянуть сальник.

Текущий и капитальный ремонты станков-качалок проводятся по графикам.

Для улучшения контроля за работой насосных установок и облегчения условий работы обслуживающего персонала на промыслах широко применяют различные телемеханические системы контроля и управления работой установок с проводными каналами связи. При помощи телемеханической системы оператор с диспетчерского пункта осуществляет на расстоянии телесигнализацию (передачу о происшедших изменениях в работе контролируемого объекта), телеуправление (передачу команд на управляемый объект), телеизмерение (передачу результатов измерении по объекту во времени).

При помощи телемеханических систем можно осуществлять связь с любой скважиной или другим объектом. Оператор на пульте работает только с одной скважиной, выбирая ее по своему усмотрению, и при насосной добыче нефти может выполнять следующие операции: включение и выключение электродвигателей станков-качалок, замер дебита скважины, телесигнализацию состояния станка-качалки ("работает", "остановлена"), сигнализацию аварийной остановки станка-качалки; двухстороннюю телефонную связь диспетчерского пункта с персоналом, находящимся у скважины.

Рассмотрим технику безопасности при обслуживании штанговых насосных установок.

При эксплуатации скважин штанговыми насосными установками обслуживающий персонал имеет дело с большим числом движущихся частей станка-качалки; поэтому основные мероприятия техники безопасности здесь сводятся к обеспечению достаточной прочности оборудования и ограждению всех движущихся частей механизма.

Станки-качалки всех типов выпускают с ограждениями кривошипно-шатунного механизма и ременной передачи.

Необходимо соблюдать также следующие основные требования безопасности.

Верхний торец устьевого тройника-сальника должен возвышаться над уровнем приустьевой площадки не более чем на 1 м. При набивке уплотнения в корпусе сальника головка его должна удерживаться на сальниковом штоке специальным зажимом.

Запрещается провертывать шкив станка-качалки вручную или тормозить его путем подкладывания трубы или лома в спицы.

При перестановке пальцев кривошипно-шатунного механизма шатун следует надежно крепить к стойке станка-качалки.

Перед пуском станка-качалки необходимо убедиться в том, что редуктор станка не заторможен, ограждения установлены и в опасной зоне нет людей.

Для обслуживания электродвигателя и тормоза станка-качалки должна быть устроена площадка с ограждением.

Воспрещается надевать и снимать ремни посредством рычагов. Надевать и снимать ремни надо путем передвижения электродвигателя.

Во время осмотра или замены отдельных частей станок-качалка должен быть остановлен.

Канатную и цепную подвески снимать и надевать разрешается только специальным приспособлением с пола или с переносных лестниц-площадок. Запрещается выполнять эти работы с балансира станка-качалки.

В добыче нефти с большой глубины используется специальное насосное оборудование, которое называется станками-качалками. Привод этих аппаратов находится на поверхности земли, над эксплуатируемыми скважинами, а управление осуществляется оператором. Функцию добычи нефти в агрегатах выполняют специальные насосы плунжерного типа. Нефтяной станок-качалка является незаменимым аппаратом, без которого трудно и представить интенсивную разработку глубинных месторождений.

Назначение и работа станков-качалок

Чаще всего для освоения месторождения нефти применяются распространённые штанговые насосы с приводами. Эти агрегаты позволяют откачивать содержание скважин даже при большом, глубоком промерзании верхнего пласта земли. Станки – качалки с одноплечным балансиром относятся к оборудованию индивидуального вида и применяются для добычи нефти из-под земли в обычных и особых условиях.

Любая существующая инфраструктура добычи нефти нацелена на поднятие её с глубины на поверхность, а принцип работы станка-качалки со штанговым насосом напоминает действие медицинского шприца. Неотъемлемой частью любого станка-качалки является колонна, которую составляют компрессионные трубы. По этим трубам происходит подъём на поверхность и подача в резервуары нефти.

Если рассмотреть технологию организации добычи нефти, то весь процесс от начала до конца действий можно разделить на отдельные этапы:

• бурение скважин;
• установка трубных колонн;
• обсадка колонн;
• установка качалок и пуск их в работу.

Глубина бурения обычно достигает нескольких километров, но наиболее часто встречающиеся горизонты залегания нефти – это примерно 1500 метров под поверхностью и более. Иные скважины в глубину достигают и 4000 метров, но это уже колонны-рекордсмены нефтедобычи. Основой нефтедобывающей инфраструктуры являются колонны, собираемые из обсадных труб и активная часть каждого отдельного станка – его насос.

Чтобы понять принцип действия плунжерного насоса станка-качалки, нужно разобраться в роли и назначении отдельного станка в структуре всей трубопроводной сети добывающего комплекса. Качалка для нефти – это приводной механизм насоса, которая своим возвратно-поступательным движением, напоминающим качели, приводит в действие плунжерную пару насосного устройства. Оптимальная цикличность действия механизма качалки позволяет нефтяному ресурсу на глубине залегания концентрироваться у фильтра скважины, что способствует эффективности процесса добычи. Вся конструкция станка предусматривает минимизацию износа его отдельных элементов, установка рассчитана на безупречное действие в течение длительного срока эксплуатации.

Устройство качалки

При изучении устройства станка-качалки необходимо начать с установочной базы. База – это то, из чего состоит основа аппарата. Монтаж станка производится на заранее подготовленную бетонную основу, фундамент. Здесь же расположена платформа и её стойка вместе со станцией управления, в которой находится кабина оператора.

После того, как все организационные работы по установке платформы завершены, на неё навешивается массивный балансир, который уравновешивает специальную головку с канатным подвесом. Энергетическим приводом станка является мощный электродвигатель, который через редуктор станка-качалки передаёт усилие на балансир. Двигатель размещается иногда снизу под платформой, но такой вариант используется крайне редко, так как он связан с недостаточной безопасностью эксплуатации оборудования.

Через кривошип с шатуном электродвигатель воздействует на балансир, благодаря чему вращение вала двигателя преобразуется в цикличное поступательное движение элементов глубинного насоса.

Пункт управления станком-качалкой изготавливается в коробчатом виде, он содержит всё необходимое электротехническое оборудование комплекса. В станции, в непосредственной близости от управляющего реле, расположен и механический тормоз ручного типа.

Виды станков

Семейство нефтяных качалок представлено на отечественном рынке оборудования большим количеством модификаций. У всех видов станков практически один и тот же принцип работы, но есть и существенные отличия. Наиболее популярны среди нефтяников станки с балансирами, которые относятся к классическому типу добывающего оборудования. В этих станках предусмотрен механизм задней фиксации шатуна и редуктор расположен на одной раме с электродвигателем и балансиром.

Альтернативой классическим станкам являются такие типы станков-качалок, как гидравлические штанговые насосы, закрепляемые на фланце арматуры скважины в самом верху. Штанговые насосы имеют то преимущество перед станками классического типа, что они не требуют при своей установки сооружения мощного фундамента. Особенно важно это свойство штанговых насосов для случаев разработки месторождений в вечной мерзлоте, где заливка любого качественного фундамента сопряжена с большими трудностями. Свайная же установка классических станков не оправдана по экономическим соображениям.

Другой особенностью гидравлических насосов является возможность плавно, бесступенчато регулировать длину обсадной колонны. Благодаря этому появляется возможность точного подбора эксплуатационного режима скважины.

Основные характеристики качалок

Чтобы выбрать более подходящие станки для разработки месторождения нефти, нужно сделать анализ широкого спектра эксплуатационных и технических характеристик всех видов этого оборудования.

При оценке важнейших характеристик станка-качалки обязательно учитывают:

• рабочую штоковую нагрузку;
• максимальный ход плунжера;
• габариты редуктора;
• величину крутящего момента выходного вала;
• частоту качаний.

Определяющим параметром станка является мощность его электродвигателя. На установках классического типа для работы насосных станций достаточна мощность электродвигателя в 25 кВт. Но следует ещё учитывать тип используемых ремней для передачи вращения от двигателя на редуктор, диаметры шкивов ремённой передачи и конструкцию механизма торможения.

Даже если все эксплуатационные параметры рассматриваемого станка устраивают покупателя, ему следует ещё учесть и габариты оборудования. Ведь размеры иногда играют определяющую роль – это те случаи, когда приходится транспортировать станки на большие расстояния в условиях различных климатических и региональных зон страны. Габаритные размеры в большой степени решают вопрос, можно ли произвести установку данного оборудования в конкретной ситуации, в конкретных условиях разрабатываемого месторождения нефти.

Обычно масса станка не превышает 10 т, а его габариты по длине и ширине составляют 7Х2,5 м.

Отдельные модели станков

Специалисту, занимающемуся заказами оборудования для нефтедобычи, необходимо хорошо ознакомиться с отдельными его моделями и их главными характеристиками. Несмотря на то, что каждый такой аппарат рассчитан на долгие годы работы, уже существующие промыслы время от времени производят модернизацию оборудования, закупая более современные его виды. Рассмотрим некоторые модели станков-качалок, сравнивая их характеристики и особенности.

Качалки СК

Распространённая в нефтедобывающей отрасли станок- качалка СК представляет собой скважинный насос с отдельным приводом. Насос при работе опускается в обсадную трубу скважины, и с ним соединён специальный шток привода. Шток составляется из колонны отдельных штанг, обеспечивая тем самым требуемую длину.

Как и в других классических вариантах добывающего насосного оборудования, вращение электродвигателя станка преобразуется с помощью кривошипа в поступательное движение штанговой колонны. Два исполнения станков-качалок СК изготавливаются со своим отдельным количеством типоразмеров. Аппараты СК имеют семь типоразмеров, а СКД – шесть.

Главные отличия станков-качалок СКД от СК заключаются в следующем:

• несимметричность кинематической преобразовательной схемы и более высокое преобразующее кинематическое соотношение;
• уменьшенные габаритные размеры;
• расположение редуктора прямо на станочной раме.

В установках СК используются трёхфазные электрические двигатели асинхронного типа с влагостойким исполнением в искробезопасном корпусе. В зависимости от модификации станка в нём могут применяться двигатели мощностью от 4 до 40 кВт.

Механизм тормоза станка включает в себя две колодки, правую и левую, он предназначен для фиксирования станка в нужном положении в момент его остановки.

Качалки СКДР

Более усовершенствованная модель семейства СК – станок-качалка СКДР. Аппарат развивает тяговое усилие в 60 кН при длине штока от 1,2 до 3 м. Редуктор, используемый в аппарате, имеет типоразмер Ц2НШ-450-28 или Ц3НШ-450-28.

Станки СКДР используются для откачки нефти из скважины со штоковой нагрузкой до 80 000 Н. Они разработаны с учётом последних достижений отечественного и зарубежного машиностроения. Главные элементы кинематики станков изготовлены с учётом всех требований ГОСТов на нефтедобывающее оборудование.

Частота качаний установки СКДР регулируется в диапазоне от 1,7 до 11,8 в мин и зависит от передаточного числа установленного редуктора на раме станка. Мощность двигателя качалки может составлять от 5,5 до 22 кВт в зависимости от передаточного числа редуктора.

Общая масса агрегата СКДР составляет 13 100 кг, а его габариты равны 7200х6350х 3100 мм.

Качалки ПШГН

Приводная часть глубинного нефтяного насоса шагового типа или станок-качалка ПШГН через систему штанг передаёт движение головки на насосный плунжер, расположенный глубоко в обсадной трубе скважины. Головка балансира аппарата соединяется со штоком насоса с помощью тросовой подвески.

По производительности качалка ПШГН может регулироваться путём увеличения или уменьшения числа качаний в минуту, амплитуды этих качаний и размеров насосного плунжера. Чтобы произвести регулировку длины хода штока, необходимо выполнить перестановку пальцев кривошипно-шатунного механизма в другие отверстия.

Как и все предыдущие нефтяные качалки, разновидность ПШГН не является отдельным их видом, а представляет собой разновидность главного механизма установки для добычи нефти.

Обслуживание нефтяных качалок

Специальный персонал нефтедобывающего предприятия выполняет обслуживание станка-качалки. Для удобства его работы конструкторами предусмотрены различные вспомогательные устройства и механизмы. При обслуживании балансира с траверсой и кривошипа на установке устроена специальная площадка, снабжённая системами привода. Операторы, располагаясь на этой площадке, производят управление балансировкой и уравновешиванием станка, проверяют крепление всех узлов кривошипно-шатунного механизма.

Вся кинематика системы привода нефтедобывающей качалки сконструирована для того, чтобы головка станка и кривошип совершала движение в оптимальном ритме и этот режим можно бы было легко перенастраивать.

Функции операторов станков и обслуживающего персонала необходимо разделять. Технический персонал занимается обслуживанием нефтяных насосов во время их интенсивной эксплуатации, в их обязанности входит слежение за рабочими показателями всех механизмов станции и техническое обслуживание насосного оборудования. В случае необходимости они производят и ремонт станков-качалок. Особенно важно в их работе создавать благоприятные режимы функционирования узлов и механизмов станка в моменты возникновения в нём максимальных, пиковых нагрузок.

В функции же операторов установок входят обязанности по регулированию самого процесса выкачки нефтяных ресурсов из глубины месторождения, по установке оптимальных режимов работы станка на каждом периоде освоения запасов углеводородов.

Заключение

Промышленные предприятия, изготавливающие станки-качалки, непрерывно совершенствуют своё нефтедобывающее оборудование. Но кардинальных вариантов переделок существующих станков в ближайшее время не предвидится. Это говорит о том, что классическая схема, заложенная в станки много лет назад, оказалась очень удачной и не имеет существенных недостатков.

К тому же оборудование нефтегазовых добывающих комплексов долговечно, его замены происходят очень редко и неохотно со стороны учредителей крупных компаний. Немалую роль в этом играет и высокая цена станка-качалки. Большей частью обновляются лишь отдельные узлы станков, устаревшие физически или морально.

Постепенно весь парк станков-качалок уступает свои позиции в пользу нового вида оборудования – гидравлических аппаратов. Это способствует оптимизации рабочего процесса добычи нефти, усовершенствованию всей инфраструктуры существующих и строящихся комплексов. Эксплуатационные затраты при этом снижаются без снижения качества добываемой нефти.