Станок -качалка — это надземный привод для поршневого насоса возвратно-поступательного движения в нефтяной скважине . [1]
Он используется для механического подъема жидкости из скважины, если забойного давления недостаточно для того, чтобы жидкость могла полностью вытечь на поверхность. Такая компоновка часто используется для наземных скважин. Станки-качалки распространены в богатых нефтью районах .
В зависимости от размера насоса, он обычно производит от 5 до 40 литров (от 1 до 9 имп галлонов; от 1,5 до 10,5 галлонов США) жидкости за один ход. Часто это эмульсия сырой нефти и воды. Размер насоса также определяется глубиной и весом извлекаемой нефти, причем более глубокая добыча требует большей мощности для перемещения увеличенного веса нагнетательной колонны (нагнетательной головки).
Насосный станок балочного типа преобразует вращательное движение двигателя (обычно электродвигателя ) в вертикальное возвратно-поступательное движение, необходимое для приведения в действие полированного штока и сопутствующей насосной штанги и колонны (жидкости) нагрузки. Инженерный термин для этого типа механизма — шагающая балка . Он часто использовался в стационарных и морских паровых двигателях в 18 и 19 веках.
Качалку также называют качалкой, качающимся насосом, качающимся насосом, качающимся насосом-ослом, качающейся лошадкой, насосом-кузнечиком, штанговым насосом, насосом-динозавром, насосом Big Texan, насосом «жаждущая птица», лошадкой-конем или просто насосным агрегатом. [2]
В первые дни насосные станки работали с помощью стержневых линий, идущих горизонтально над землей к колесу на вращающемся эксцентрике в механизме, известном как центральный источник питания. [3] Центральный источник питания, который мог управлять дюжиной или более насосных станков, приводился в действие паровым двигателем или двигателем внутреннего сгорания или электродвигателем. Среди преимуществ этой схемы было наличие только одного первичного двигателя для питания всех насосных станков, а не отдельных двигателей для каждого. Однако среди многих трудностей было поддержание баланса системы при изменении нагрузок на отдельные скважины.
Современные насосные станки приводятся в действие первичным двигателем. Обычно это электродвигатель, но двигатели внутреннего сгорания используются в изолированных местах без доступа к электричеству или, в случае с насосными станками для воды, где нет трехфазного питания (хотя существуют однофазные двигатели мощностью не менее 60 лошадиных сил или 45 киловатт, [4] обеспечение питания однофазных двигателей мощностью более 10 лошадиных сил или 7,5 киловатт может вызвать проблемы с линией электропередачи, в частности, падение напряжения при запуске, [5] и многим насосам требуется более 10 лошадиных сил). Обычные двигатели насосных станков, не подключенных к сети, работают на природном газе , часто на попутном газе, добываемом из скважины, но насосные станки работали на многих видах топлива, таких как пропан и дизельное топливо . В суровых климатических условиях такие двигатели и двигатели могут быть размещены в хижине для защиты от стихии. Двигатели, которые приводят в действие насосные станки для воды, часто получают природный газ из ближайшей доступной газовой сети .
Первичный двигатель приводит в действие набор шкивов для трансмиссии, часто двухступенчатую коробку передач , которая приводит в действие пару кривошипов , как правило, с противовесами, установленными на них для компенсации веса тяжелого узла стержня. Кривошипы поднимают и опускают один конец двутавровой балки , которая свободно перемещается на А-образной раме . На другом конце балки находится изогнутая металлическая коробка, называемая конской головой или ослиной головой, так названная из-за своего внешнего вида. Трос из стали — иногда из стекловолокна — называемый уздечкой, соединяет конскую голову с полированным стержнем, поршнем , который проходит через сальник .
Сами кривошипы также создают противовес за счет своего веса, поэтому на станках-качалках, которые не несут очень большой нагрузки, веса самих кривошипов может быть достаточно для уравновешивания нагрузки на скважину.
Однако иногда кривошипно-уравновешенные агрегаты могут стать чрезмерно тяжелыми из-за необходимости использования противовесов. Lufkin Industries предлагает «воздушно-уравновешенные» агрегаты, в которых противовес обеспечивается пневматическим цилиндром, заряженным воздухом из компрессора , что устраняет необходимость в противовесах.
Полированный шток плотно прилегает к сальнику, позволяя ему входить и выходить из трубы без утечки жидкости. (Труба представляет собой трубу, которая идет к дну скважины, через которую добывается жидкость.) Уздечка следует изгибу конской головки, когда она опускается и поднимается, создавая вертикальный или почти вертикальный ход. Полированный шток соединен с длинной цепочкой штанг, называемых насосными штангами, которые проходят через трубу к скважинному насосу, обычно расположенному около дна скважины.
В нижней части трубы находится скважинный насос. Этот насос имеет два шаровых обратных клапана : неподвижный клапан внизу, называемый стоячим клапаном, и клапан на поршне, соединенный с нижней частью насосных штанг, который перемещается вверх и вниз, когда штанги совершают возвратно-поступательные движения, известный как перемещающийся клапан. Пластовая жидкость поступает из пласта в нижнюю часть скважины через перфорации , которые были сделаны через обсадную трубу и цемент (обсадная труба представляет собой большую металлическую трубу, которая проходит по всей длине скважины, между которой и землей размещен цемент; труба, насос и насосная штанга находятся внутри обсадной трубы).
Когда стержни на конце насоса движутся вверх, нагнетательный клапан закрывается, а всасывающий клапан открывается (из-за падения давления в цилиндре насоса). Следовательно, цилиндр насоса заполняется жидкостью из пласта, поскольку движущийся поршень поднимает предыдущее содержимое цилиндра вверх. Когда стержни начинают толкать вниз, нагнетательный клапан открывается, а всасывающий клапан закрывается (из-за повышения давления в цилиндре насоса). Нагнетательный клапан опускается через жидкость в цилиндре (которая была всосана во время хода вверх). Затем поршень достигает конца своего хода и снова начинает свой путь вверх, повторяя процесс.
Часто газ добывается через те же перфорационные отверстия, что и нефть. Это может быть проблематично, если газ попадает в насос, поскольку это может привести к так называемому газовому запиранию, когда в цилиндре насоса создается недостаточное давление для открытия клапанов (из-за сжатия газа) и мало или совсем ничего не закачивается. Чтобы предотвратить это, впускное отверстие насоса можно разместить ниже перфорационных отверстий. Когда газсодержащая жидкость попадает в ствол скважины через перфорационные отверстия, газ барботирует вверх по кольцевому пространству (пространству между обсадной колонной и трубой), в то время как жидкость движется вниз к входному отверстию стояка. Оказавшись на поверхности, газ собирается через трубопровод, соединенный с кольцевым пространством.
Pumpjacks также можно использовать для привода того, что сейчас считается старомодными ручными насосами для воды . Масштаб технологии часто меньше, чем для нефтяной скважины, и обычно может помещаться поверх существующего ручного насоса для воды. Технология проста, обычно использует параллельный брус с двумя кулачками, приводимый в действие маломощным электродвигателем, хотя количество pumpjacks с длиной хода 54 дюйма (1,4 м) и более, используемых в качестве водяных насосов, увеличивается. Короткую видеозапись такого насоса в действии можно посмотреть на YouTube. [6]
Хотя расход воды для насосной станции для скважины ниже, чем у струйного насоса , и поднимаемая вода не находится под давлением, насосная станция с балкой имеет возможность ручной откачки в аварийной ситуации, вручную вращая кулачок насосной станции в самое нижнее положение и прикрепляя ручную рукоятку к верхней части штанги устья скважины. В более крупных насосных станциях, работающих от двигателей, двигатель может работать на топливе, хранящемся в резервуаре, или на природном газе, поставляемом из ближайшей газовой сети . В некоторых случаях этот тип насоса потребляет меньше энергии, чем струйный насос, и, следовательно, его эксплуатация обходится дешевле.
