Механизированный способ добычи нефти. Скважинные штанговые насосные установки

При работе установки  жидкость, откачиваемая скважинным насосом, поступает во внутреннюю полость  трубчатых штанг и поднимается по ней на поверхность. Верхняя часть колонны соединена гибким отводом с промысловым коллектором.

Режим работы установки и размеры штанг  подбираются таким образом, чтобы  скорость потока жидкости в полых  штангах превышала скорость падения частиц песка.

Использование полых штанг  позволяет значительно сократить число заклиниваний насоса и забивания песком его клапанов.

Сопоставление конструкций обычных и полых  штанг показывает, что производство последних сложнее, их металлоемкость и стоимость значительнее. Кроме того, требования к резьбовым соединениям полых штанг выше, так как они должны быть герметичными в течение всего срока эксплуатации.

Рекомендуемый момент свинчивания составляет 1100 Н*м.

Одной из основных проблем в создании трубчатых  штанг является обеспечение герметичности из резьбовых соединений в течение всего срока эксплуатации.

 

4.2.Глубинные  штанговые насосы

Многообразие  типов глубинных насосов и  специфичность их конструкций обусловлены  широким диапазоном изменения параметров ШНГУ и необходимостью приспособиться к тяжелым условиям работы подземного оборудования. Глубинный насос должен обеспечивать при соответствующей глубине подвески необходимую подачу как вязкой, так и маловязкой пластовой жидкости, в которой могут содержаться абразив, минерализованная вода, коррозионноактивные компоненты, растворенный газ.

Штанговый глубинный  насос в подавляющем большинстве  случаев представляет собой насос  одинарного действия с проходным плунжером. Этот тип насоса в различных модификациях позволяет отбирать пластовую жидкость с дебитом до 400 т/сут при глубинах подвески до 3500 м. Для откачки пластовой жидкости из скважин с осложненными условиями эксплуатации (высокий газовый фактор, большая вязкость жидкости, высокий дебит и др.) применяются насосы иных конструкций.

Независимо от конструкции, все глубинные насосы по способу  соединения с колонной насосно-компрессорных  труб подразделяются на две группы: вставные и трубные.

У трубных  насосов цилиндр присоединен  непосредственно к колонне насосных труб и может быть извлечен на поверхность  только после подъема всей колонны. Плунжер насоса и узел всасывающего клапана опускают и поднимают с помощью колонны штанг.

У вставных насосов  весь агрегат в собранном виде спускают и поднимают на колонне  штанг, а его крепление к низу колонны насосно-компрессорных труб осуществляется с помощью специальной замковой опоры.

Невставной (рис. 19) и вставной (рис. 20) насосы имеют плунжер, соединенный с колонной штанг и снабженный нагнетательным клапаном. Плунжер перемещается в цилиндре, имеющем в нижней части впускной клапан. Вставной насос также имеет замковую опору 4, при помощи которой он фиксируется в рабочем положении.

Сравнение конструкций  обоих насосов показывает, что  при одинаковом диаметре насосно-компрессорных  труб диаметр плунжера вставного  насоса будет всегда меньше диаметра плунжера трубного насоса и соответственно подача вставного насоса будет меньше подачи трубного.

Рис. 19. Невставной (трубный) насос а—НГН1; б — НГН2; 1 — шариковый нагнетательный клапан; 2 — цилиндр; 3- плунжер; 4 - патрубок-удлинитель; 5 - всасывающий клапан; 6 –седло конуса; 7-шток захватный; 8 — нагнетательный клапан; 9 — ловитель, 10 — наконечник.

Рис. 20. Вставной насос. 1-штанга; 2 - насосно-компрессорная труба; 3- замковая опора;4-переводная муфта; 5— цилиндр насоса; 6 — плунжер; 7 — насопно-компрессорная труба

Рис. 21. Глубинный телескопический насос

Этот недостаток вставных насосов компенсируется возможностью быстрого его подъема без подъема колонны насосно-компрессорных труб при проведении подземного ремонта.

Для эксплуатации скважин с вязкой пластовой жидкостью  и большим содержанием песка применяют телескопические насосы (рис. 21). Этот тип насосов характерен большим зазором между плунжером и цилиндром, что в свою очередь   требует  большой длины контакта между ними для обеспечения необходимого   гидравлического сопротивления, препятствующего утечке жидкости через зазор. Все это обусловливает специфическую   конструкцию насоса, состоящего из концентрически расположенных труб.

Рас. 22. Двухступенчатый насос                                   Рис. 23. Глубинный насос двойного действия:

1 -  цилиндр; 8, 7 – нагнетательные  клапаны;  3 - шток; 4 - сальник;  

5,8 - всасывающие клапаны; 6 – поршень

 

 

 

Трехтрубный вставной телескопический насос  состоит из наружной и внутренней подвижных и средней — неподвижной труб. Внутренняя и наружная трубы в верхней части соединены   переводником. К переводнику в свою очередь крепится узел нагнетательного   клапана. Второй   нагнетательный клапан установлен в нижней   части   внутренней трубы. При работе насоса внутренняя и наружная трубы перемещаются колонной штанг, а средняя труба удерживается неподвижно относительно колонны   насосно-компрессорных труб замковым устройством.

Для эксплуатации скважин с большим газовым фактором применяют двух-и трехступенчатые насосы. Их принцип действия по

добен работе двух- и трехступенчатых компрессоров. Двухступенчатый насос (рис.1.22) содержит два жестко связанных плунжера, перемещающихся в двух цилиндрах. Диаметр верхнего плунжера меньше диаметра нижнего плунжера. Две пары плунжеров 7, 3 и цилиндров 2, 4 образуют две полости А и В. При ходе штанг вверх пластовая жидкость через всасывающий клапан попадает в подплунжерную полость. Объем кольцевой полости при этом сокращается, и смесь жидкости и газа сжимается и проходит через верхний плунжер в насосно-компрессорные трубы. При ходе штанг вниз смесь в камере сжимается и перетекает в камеру, объем которой увеличивается. Если давление смеси достаточно, то часть жидкости поступает через верхний плунжер в трубы, а если недостаточно, то сжимается в камере и при последующем ходе штанг вверх вытесняется из нее в трубы.

Трехступенчатые насосы используются в скважинах с очень большим  газовым фактором и имеют аналогичный  принцип действия.

При эксплуатации высоко дебитных скважин малого диаметра применяют тандем-насос, представляющий собой два насоса или более одностороннего действия, расположенных один над другим и работающих параллельно.

Насосы двойного действия применяют при эксплуатации скважин малого диаметра и большого дебита. Создание такого насоса обусловлено стремлением использовать ход штанг вверх и вниз для подачи жидкости на дневную поверхность. Широкого распространения этот тип насосов не получил из-за сложности изготовления, малой надежности и ухудшения условий работы штанг. Схема насоса двойного действия приведена на рис. 1.23. Внутри цилиндра насоса 1 перемещается поршень 6, приводимый в действие штоком 3, в нижней и верхней частях насоса установлено по два всасывающих 5 и 8 и нагнетательных 2 и 7 клапана. При перемещении штанг вверх в верхней части полости происходит нагнетание, а в нижней — всасывание, при перемещении штанг вниз — наоборот. Поскольку при перемещении штанг вниз в нижней полости нагнетается жидкость, то и усилие, необходимое для перемещения поршня, резко возрастает по сравнению с насосами одностороннего действия. Поэтому приходится либо сокращать диаметр поршня, что уменьшает производительность насоса, либо увеличивать вес колонны штанг.

4.3.Основные детали  глубинных насосов

Для упрощения  изготовления и ремонта глубинных  насосов их детали выполняются с  высокой степенью унификации.

Цилиндры глубинных насосов бывают втулочными и цельнотянутыми. Цилиндр втулочного насоса состоит из кожуха, в котором размещены втулки. Фиксация втулок в кожухе обеспечивается гайками.

Втулки подвергаются воздействию переменного внутреннего  гидравлического давления, обусловленного столбом откачиваемой жидкости, и  постоянного усилия, возникающего в  результате торцевого обжатия рабочих втулок. Втулки всех насосов при различных внутренних диаметрах имеют одинаковую длину — по 300 м.

Втулки всех насосов изготавливают трех типов: легированные из стали марки 38ХМЮА, стальные из стали марок 45 и 40Х, чугунные марки СЧ26—48.

Легированные  втулки изготавливают только тонкостенными, стальные — тонкостенные, с увеличенной толщиной стенки и толстостенные, чугунные — толстостенные.

Для увеличения долговечности внутреннюю поверхность  втулок упрочняют физико-термическими методами: чугунные — закаливают токами высокой частоты, стальные — азотируют, цементируют, нитрируют. В результате этой обработки твердость поверхностного слоя составляет до 80 HRС.

Механическая  обработка втулок заключается в  шлифовании и шлифовании. Основные требования к механической обработке  — высокий класс точности и  чистоты внутренней поверхности, а  также перпендикулярность торцов к  оси втулок.

Макрогеометрические отклонения внутреннего диаметра втулки дожны быть не более 0,03 мм. Плоскостность торцевых поверхностей должна обеспечивать непрерывное равномерное пятно по краске не менее 2/3 толщины стенок втулки.

Цельнотянутые цилиндры представляют собой длинную  стальную трубу, внутренняя поверхность которой рабочая. Труба при этом играет роль и цилиндра и кожуха одновременно. Подобная конструкция лишена таких недостатков, как негерметичность между торцами рабочих втулок, искривление оси цилиндра. При этом увеличивается жесткость насоса и создается возможность использовать плунжер большого диаметра при одинаковом по сравнению с втулочным насосом наружном диаметре.

Плунжер глубинного насоса представляет собой стальную трубу с внутренней резьбой на концах. Для всех насосов длина  плунжера постоянна и составляет 1200 мм. Их изготавливают из стали 45, 40Х иди 38ХМЮА. По способу уплотнения зазора цилиндр — плунжер различают  полностью металлические и гуммированные плунжеры. В паре металлический плунжер — цилиндр уплотнение создается нормированным зазором большой длины, в гуммированных — за счет манжет или колец, изготовленных из эластомера или пластмассы.

В настоящее  время применяют плунжеры (рис. 24):

а) с гладкой поверхностью;

б) с кольцевыми канавками;

в) с винтовой канавкой;

г) с кольцевыми канавками, цилиндрической расточкой и скошенным концом в верхней части («пескобрей»);

д) гладкий плунжер с  углублениями на поверхности в форме  пирамиды, расположенными в шахматном  порядке;

е) манжетные плунжеры;

ж) гуммированные плунжеры.

Использование большого количества разнообразных  конструкций плунжеров обусловлено необходимостью обеспечения при любых условиях эксплуатации герметичности зазора, высокой долговечности пары цилиндр — плунжер (при этом стремятся по возможности уменьшить силы трения).

Рис. 24. Плунжеры.

а — гладкий (исполнение Г); б — с кольцевыми канавками (исполнение К); в — с винтовой канавкой (исполнение В); г — типа «пескобрей» (исполнение II); д — манжетный »гуммированный плунжер; 1 — корпус плунжера: 2 — самоуплотняющееся резиновое кольцо; з — набухающие резиновые кольца

В «песчаных» скважинах применяют плунжеры, конструкция  которых либо обеспечивает вынос абразива из зазора (рис. 24, б), либо не допускают его попадания туда (рис. 24, в). Все эти плунжеры работают с меньшими усилиями трения, чем манжетный гуммированный, который применяют для откачки жидкости, не содержащей абразив. Последний обеспечивает максимальную герметичность, но при его работе возникают большие силы трения.

Для обеспечения  высокой долговечности насоса большое  значение имеет предотвращение задиров трущихся поверхностей. Причиной этого явления бывает как содержащийся в откачиваемой жидкости абразив, так и появление локальных зон сухого трения пары плунжер — цилиндр в результате разрыва в зазоре пленки откачиваемой жидкости. Чтобы обеспечить нормальную работу пары сопряженных деталей, применяют плунжеры с углублениями и канавками (см. рис. 24, б и в) либо увеличивают твердость рабочей поверхности плунжера путем цементирования или хромирования. Хромированные плунжеры наиболее долговечны и имеют более низкий коэффициент трения, чем цементированные. Помимо этого, слой хрома обеспечивает хорошую коррозионную стойкость при работе в скважинах с высоким содержанием SO₂.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 25. Шаровые клапаны с буртом (а) и гладкой наружной поверхностью (б)

Необходимо  отметить, что хромирование — сравнительно дорогой процесс, вследствие чего более широкое применение имеют плунжеры не хромированные, а из углеродистой стали, закаленные токами высокой частоты.

По величине зазора между цилиндром и плунжером  насосы подразделяются на три группы:

I группа (тугая посадка плунжера) с зазором между плунжером и цилиндром 20—70 мкм, предназначена для подъема маловязкой пластовой жидкости с невысоким содержанием песка, повышенным выделением газа при больших глубинах подвески насоса;

II группа (средняя посадка) с зазором 70—120 мкм, предназначена для подъема пластовой жидкости средней вязкости с высоким содержанием газа при средних глубинах подвески;

III группа (слабая посадка) с зазором более 120 мкм, предназначена для подъема очень вязких нефтей из сильно обводненных скважин при малой глубине подвески насоса.

Клапаны глубинных  насосов выполняют шариковыми, так  как в условиях работы глубинных  насосов они обладают наибольшей работоспособностью по сравнению с  другими (коническими и плоскими) конструкциями. Большой срок их службы объясняется хорошей притиркой шарика к седлу во время работы при длительном сохранении шариком своих размеров вследствие большой его активной поверхности.

В зависимости  от конструкции седла шариковые  клапаны бывают с буртом и с  гладкой наружной поверхностью (рис. 25). Последние применяют, как правило, в качестве нагнетательных клапанов.

Седла клапанов симметричны и при износе одной  из кромок поверхности седла их поворачивают (переставляют) на 180° для использования  другой поверхности. Для обеспечения  герметичности стыка шарик — седло внутренняя кромка седла имеет фаску.

Твердость шарика всегда назначается выше твердости  седла, так как при работе шарик  должен сохранять свою форму. Твердость шарика обычно бывает 56—70 HRС, седла — 40—50 HRС.

Рис. 26. Клапанные узлы глубинных насосов:

а — насоса НГН1; б — насоса НГН2; в — насоса НГНЗ: 1 — корпус, 2 — стакан, 3— шарик, 4 — седло, 5 — наконечник-конус; г — конструкции Костыченко

Шарик и седло  изготавливают из высокоуглеродистой стали, а в ряде случаев (например для работы в коррозионной среде) — из бронзы.

При изготовлении клапанов большое внимание уделяется  герметичности прилегания шара к  седлу, так как наличие зазора приводит к промыву седла и  быстрому выходу клапана из строя. Для  предотвращения этого шарик и  седла притирают, а герметичность стыка проверяют на специальном вакуумном приборе.

Клапанные узлы унифицированы — их применяют  и как всасывающие и как  нагнетательные.