С 1860-х по 1940-е годы насосы на многих нефтяных скважинах приводились в движение системами передачи механической энергии, основанными на принципах, изобретенных в XVI столетии для горнодобывающей промышленности.
Один двигатель мог приводить в движение до 45 насосов, расположенных в разных местах, иногда на расстояниях до 1,5 км от него. Механическая энергия передавалась с помощью деревянных штанг или стальных тросов, протянутых на местности и совершавших возвратно-поступательные движения.
Система «дёргопередачи» была настолько эффективна, что один двигатель мог приводить в движение все нефтяные качалки одного нефтепромысла. Эта технология, до сих пор применяемая на нескольких небольших нефтеносных участках, демонстрирует хороший потенциал для эффективного использования ВИЭ небольшой мощности.
Начиная с XVI века инженеры совершенствовали системы передачи и распределения механической энергии. Сети качающихся деревянных штанг передавали энергию от водяных колёс в долинах к шахтным машинам в горах на расстояния до 4 км, приводя в движение насосы, меха, рудоподъёмники и подъёмники для перемещения шахтёров вниз и вверх по шахтным стволам.
Паровые машины, пришедшие на смену водяным колёсам в 1860-х, уже не требовали для своей работы речной воды, а значит, их можно было размещать непосредственно возле шахт. Казалось бы, при этом нужда в механической передаче энергии должна была отпасть. Однако после изобретения паровой машины штанговые системы не только не ушли в небытие, но стали ещё более популярными. Они нашли применение в нефтедобыче - сначала в США, а затем и во всём мире, получив известность как «групповые штанговые системы» (jerker line systems).
КАНАДСКАЯ СХЕМА
Штанговые системы играли важную роль в промышленной добыче нефти в конце 1850-х. Впервые такая система была использована на месторождении в Ойл-Спрингсе в канадском штате Онтарио. Хотя тамошняя нефть имела весьма высокое качество, её добыча почти не приносила прибыли. Установка паровой машины на каждой скважине была экономически нецелесообразной. В 1863-м, всего через четыре года после начала разработки месторождения, инженер Джон Генри Фэрбенк нашёл решение проблемы, построив систему для передачи энергии от паровой машины на множество нефтяных качалок.
В механизме, получившем известность как «канадская групповая штанговая система» ("Canadian Jerker Line System"), Фэрбенк применил деревянные штанги, которые, будучи подвешены на перекладинах между деревянными столбами, двигались взад-вперед, приводя в движение деревянные станки-качалки.
РАЗДЕЛЕНИЕ И РАСПРЕДЕЛЕНИЕ
Система Фэрбенка имела целый ряд различий с подобными конструкциями из эпохи Возрождения. Два кривошипа преобразовывали вращательное движение маховика паровой машины в возвратно-поступательное движение двух параллельных деревянных штанг, как и в ранних системах на базе водяных колес. Но у Фэрбенка был предусмотрен механизм для снижения скорости вращения маховика, который для этой цели кожаным ремнём соединялся с кривошипами. Ещё одной новинкой стало чугунное главное колесо (bull wheel), поворачиваемое основными штангами на четверть оборота вперёд и назад. Оно размещалось в деревянной раме снаружи ангара для паровой машины и играло роль маятника.
К колесу крепились дополнительные штанги, позволявшие передавать движение в направлениях, не совпадающих с направлением движения основных штанг. Тем самым достигалось разделение передаваемой механической энергии.
Дальнейшее разделение выполнялось так называемыми полевыми колёсами (field wheel), аналогичными главному чугунному колесу. Такие колёса применялись также для поворота основной штанговой линии на 90°.
ПЕНСИЛЬВАНСКАЯ СИСТЕМА
Канадская штанговая система, созданная для Ойл-Спрингса, получила распространение и на других нефтяных месторождениях, но со временем была вытеснена более изощрённой системой механической передачи энергии, где деревянные детали уступили место стальным тросам и штангам. Металлические штанги назвали составными тягами (shackle lines). Энергосеть с такими тягами, получившую название пенсильванской штанговой системы (Pennsylvania Jerker Line System), была разработана в 1879 году нефтяником из штата Пенсильвания Эдвардом Йейтсом.
Знаменитые пенсильванские нефтяные месторождения (с них повела свою историю принадлежавшая семейству Рокфеллеров Standard Oil Company) начали разрабатываться примерно в то же время, что и канадские. Однако первые двадцать лет там на каждой скважине устанавливалась своя паровая машина. Нефтяные скважины на Аллеганском плато поначалу были высокодебитными, но затем их продуктивность довольно быстро падала. Поскольку постоянно открывались новые месторождения, нефтяники вводили в эксплуатацию всё новые участки, прекращая добычу на низкодебитных скважинах.
В конце 1870-х вслед за падением цен на нефть и снижением среднего дебита скважин единственным способом сохранить рентабельность производства стало сокращение затрат. И тогда нефтяники вспомнили про штанговые системы, которые позволяли перезапустить заброшенные скважины.
К 1885 году штанговые системы широко распространились по нефтепромыслам Пенсильвании. Впоследствии они появились и в других нефтедобывающих американских штатах. В начале XX века такие системы уже были построены на нефтепромыслах по всему миру. К тому времени технология была усовершенствована, и многие поставщики оборудования для нефтедобычи разработали стандартизованные системы, которые можно было приобрести по частям или целиком.
Пенсильванская система радикально отличалась от канадской. Двигатель (чаще всего работающий на попутном нефтяном газе из ближайшей скважины) через понижающий обороты редуктор (шестерёнчатый или ременный) вращал маховичное колесо с эксцентриком.
Вал эксцентрика, смещённый относительно вала колеса, свободно вращался в отверстии диска, на котором закреплялось от 8 до 15 штанговых линий, веером расходившихся во всех направлениях. Описывая круги, диск передавал возвратно-поступательное движение всем штанговым линиям.
Обычно такой механизм совершал от 12 до 20 оборотов в минуту, дёргая присоединённые к нему штанговые линии с такой же частотой. В зависимости от количества обслуживаемых скважин на центральном валу закрепляли до трёх эксцентриков, так что один двигатель мог приводить в движение штанговые насосы на 45 скважинах. (Чаще, однако, обслуживалось от 10 до 25 станков-качалок, чтобы уменьшить число скважин, временно останавливаемых в случаях поломки двигателя.)
Подходы к разделению и распределению механической энергии определяли и размещение скважин на нефтяном промысле. Если в пенсильванской системе все нефтяные качалки в группе подключались к центральному приводу напрямую, то в канадской ни одна качалка не соединялась с приводом таким образом. Ход там сначала передавался на главное колесо, которое приводило в движение основную штанговую линию с рядом полевых колёс. Поэтому пенсильванская система образовывала паутинообразную конфигурацию, тогда как канадская - древовидную с многочисленными ответвлениями от основного ствола.
ЭНЕРГОБАЛАНС
Паутинообразная конфигурация давала пенсильванской системе важное преимущество. Поскольку в любой штанговой системе присутствуют как горизонтальные, так и вертикальные элементы, часть энергии можно получить от земного притяжения. Так, в старом «кузнечиковом» насосе при добыче нефти вес штанги обеспечивает её обратный ход, что позволяет экономить энергию.
Этот эффект усиливается, если каждой качалке на одной из линий соответствует качалка на линии противоположного направления. Когда насосная штанга в одной скважине идёт вверх, в противоположной она движется вниз за счёт собственного веса, помогая поднимать штангу в первой скважине. Другими словами, насосы подпитывают энергией друг друга. Тем самым минимизируется нагрузка на двигатель: от него требуется только энергия, необходимая для преодоления инерции и трения, а также веса нефти, поднимаемой при каждом ходе поршня. (Аналогичный подход используется в двухвагонных фуникулёрах, о которых мы недавно рассказывали читателям «Энерговектора». - Прим. ред.)
Таким образом, паутинообразная конфигурация пенсильванской системы облегчает балансировку нагрузки. В каждый момент времени одна половина насосных штанг на промысле движется вверх, а другая - вниз. Стальные штанги, присоединённые к эксцентрику, можно отсоединять от составных тяг, идущих к качалкам, для ремонта или замены насоса. Если одну из скважин по каким-либо причинам отсоединяют, то отсоединяют и противоположную, чтобы сохранить баланс. Когда же сделать это невозможно, к отсоединённой штанге подвешивают противовес. Поскольку все станки-качалки напрямую подключены к центральному приводу, один работник может следить за передачей энергии на все скважины. Это позволяет организовать добычу на полутора-трёх десятках скважин с помощью двигателя примерно той же мощности, как на одной, кардинально сократив численность обслуживающего персонала.
SHACKLEWORK
Используя вместо деревянных штанг стальные тросы, нефтяники упрощали прокладку механических энергосетей на местности со сложным рельефом. В пенсильванской системе применяются различные устройства для подвешивания линий и изменения их направления (shacklework). Стальные тросы подвешиваются на треногах либо поддерживаются фрикционными стойками (friction posts), закреплёнными в грунте, или качающимися стойками (rocking posts), закреплёнными на поворотном основании, которое обеспечивает энергосберегающее маятниковое движение. Повышающие (hold-ups) и понижающие (hold-downs) опоры направляют линии вверх или вниз, а «бабочки» (butterflies) и кольца-качели (ring swings) позволяют им менять направление, чтобы обойти препятствия. Иногда используются также коромысла и маятники для изменения длины хода, задаваемой центральным приводом.
Сеть shacklework часто строится из бывших в употреблении деталей, например, отслуживших свой срок прутков или труб. В некоторых американских городах тросы сетей shacklework протянуты вдоль улиц и бульваров, и жители имеют удовольствие наблюдать, как они качаются.
ДО СИХ ПОР В ДВИЖЕНИИ
Пенсильванская штанговая система доминировала при разработке вторичных нефтяных скважин до 1940-х годов, обслуживая скважины глубиной до километра, и использовалась до 1970-х. Некоторые образцы функционируют и до сих пор.
Но наиболее интересны штанговые системы в Ойл-Спрингсе, работающие уже свыше полутора столетий. Большинство исторических линий «дёргопередачи» находится на месторождении Фэрбенк и некоторые - на месторождении Джеймс. На них используются деревянные штанги, приводящие в движение деревянные же станки-качалки. Однако некоторые линии на месторождении Джеймс и все линии на соседних месторождениях построены по пенсильванской системе.
Для сохранения технологии позапрошлого века в Ойл-Спрингсе есть причина психологического плана: месторождением владеет правнук Джона Генри Фэрбенка, создателя канадской штанговой системы. Однако у предпринимателя не музей, а нефтепромысел, приносящий прибыль.
РАДИ ЭФФЕКТИВНОСТИ
Там, где механические энергосети перестали быть рентабельными, установлены современные станки-качалки с индивидуальными электроприводами, но механические линии кое-где используются до сих пор, поскольку оказались экономически более эффективными. Конечно, в современных системах паровые машины уступили место небольшим электромоторам - дешёвым, высокоэффективным и требующим минимального обслуживания. Громоздкие ремённые передачи в большинстве случаев заменены компактными шестерёнчатыми редукторами.
Усовершенствованы даже линии деревянных штанг: их металлические подвесы заменены на нейлоновые канаты для простоты обслуживания. Дерево, из которого изготовлены штанги и станки-качалки, конечно, не оригинально.
Добычу нефти обычно представляют крупномасштабным и ограниченным по времени предприятием. Однако в Ойл-Спрингсе она продолжается в небольших масштабах с конца 1850-х годов, тогда как многие прочие нефтяные месторождения тех времён выкачаны досуха с помощью более современных технологий.
ЧЕМ ПРОЩЕ, ТЕМ ЛУЧШЕ
На штанговые системы стоит обратить внимание тем предпринимателям, кто хочет наладить малое производство без лишних затрат энергии. Вот, например, в том же Ойл-Спрингсе работает система, в которой один небольшой электромотор приводит в движение четыре насоса, размещённых в разных местах. Чем она лучше четырёх электроприводных насосов? Во-первых, экономятся три электромотора. Во-вторых, не нужно подводить электричество к каждому насосу или устанавливать там генератор. В-третьих, систему можно сбалансировать так, чтобы один насос помогал другому, экономя заметное количество энергии. Можно добавить и солнечные панели, ветряное или водяное колесо. В последних случаях энергия будет передаваться и распределяться без потерь на преобразование.
Возвратно-поступательное движение, передаваемое штанговыми системами, можно использовать не только в нефтедобыче, но и в вентиляционных установках, при обработке металлов (привод механических молотов), в лесопильных машинах, в производстве пищевых продуктов, волокон и бумаги.
__________________________________
Еще больше интересных материалов ищите на нашем портале energovector.com или подписывайтесь на наш канал.