2765.Оборудование для добычи нефти и газа Часть 2

РАЗДЕЛ 7.

ШТАНГОВЫ Е СКВАЖ ИННЫ Е НАСОСНЫЕ УСТАНОВКИ

7.1.Ш ТАНГОВАЯ СКВАЖИННАЯ НАСОСНАЯ УСТАНОВКА. ОБЛАСТИ П РИ М Е Н Е Н И Я

Воснову способа эксплуатации скважин штанговыми насо­ сами положено использование объемного насоса возвратно по­ ступательного действия, спускаемого в скважину и приводимого

вдействие приводом, расположенным на поверхности. Привод и скважинный насос соединены вместе посредством механичес­ кой связи. Весь этот комплекс оборудования называют сква­ жинной штанговой насосной установкой (СШНУ).

Скважинная штанговая установка состоит из привода, устье­ вого оборудования, колонны насосных штанг, колонны насос­ но-компрессорных труб, скважинного насоса и вспомогатель­ ного подземного оборудования. В отдельных случаях какой-либо из элементов может отсутствовать, тогда его функцию выполня­ ют другие элементы СШНУ.

Привод предназначен для преобразования энергии двигателя

вмеханическую энергию колонны насосных штанг, движущих­ ся возвратно-поступательно.

Колонна насосных штанг представляет собой стержень, со­ стоящий из отдельных штанг, соединенных друг с другом резь­ бовыми соединениями. Колонна насосных штанг передает ме­ ханическую энергию от привода к скважинному насосу.

Скважинный насос, как правило, плунжерный, преобразует механическую энергию движущихся штанг в энергию откачива­ емой пластовой жидкости.

Колонна насосно-компрессорных труб служит каналом для подъем откачиваемой пластовой жидкости и обеспечивает удер­ жание на весу цилиндра скважинного насоса.

Устьевое оборудование герметизирует внутреннюю полость колонны НКТ, ее соединения с нефтепромысловым коллекто­ ром, а также фиксирует верх колонны НКТ.

Вспомогательное подземное оборудование устанавливается в зависимости от особенностей каждой скважины. В комплект могут входить: якорь, фиксирующий низ колонны НКТ относи­ тельно эксплутационной колонны, газовые и песочные якоря или сепараторы для отделения из пластовой жидкости, поступа­ ющей на прием скважинного насоса, газа и песка, иногда кла- паны-отсекатели пласта.

Вотдельных случаях колонна штанг может быть полой, и ее внутренняя полость используется в качестве канала для подъема пластовой жидкости. При этом колонна НКТ может отсутство­ вать, а цилиндр скважинного насоса фиксируется специальным якорем с пакером.

Вбольшинстве СШНУ (рис. 7.1) в качестве привода приме­ няют балансирные станки-качалки. Балансирный станок-качалка состоит из рамы 2, установленной на массивном фундаменте 1. На раме смонтированы стойка 9, на которой с помощью шарни­ ра укреплен балансир 10, имеющий на одном конце головку 12, на другом — шарнир, соединяющий его с шатуном 7. Шатун соединен с кривошипом 5, укрепленном на выходном валу ре­ дуктора. Входной вал редуктора посредством клиноременной пе­ редачи соединен с электродвигателем 3. Головки балансира со­ единены с колонной штанг с помощью канатной подвески 13.

Колонна насосных штанг соединяет канатную подвеску на­ соса с плунжером глубинного насоса. Колонна собирается из отдельных штанг 17. Штанги имеют длину от 6 до 10 м, диаметр от 12 до 25 мм и более, соединяются друг с другом посредством муфт 23. Полированный шток 14 имеет поверхность, обработан­ ную по высокому классу чистоты, иногда ею называют первой или сальниковой штангой.

Колонна насосно-компрессорных труб служит для подъема пластовой жидкости на поверхность и соединяет устьевую ар­ матуру с цилиндром глубинного насоса. Она составлена из труб 18длиной по 8—12 м, диаметром 48—114 мм, соединенных труб-

Рис. 7.1. Скважинная штанговая насосная установка

1 — фундамент; 2 — рама; 3 — электродвигатель; 4 — клиноременная передача; 5 — кривошип; 6, 8 — контргруз; 7 — шатун; 9 — стойка; 10 — балансир; 11 — механизм фиксации головки балансира; 12 — головка балансира; 13 — канат­ ная подвеска; 14 — полированный шток; 15 — оборудование устья скважины; М — обсадная колонна; 17— колонна штанг; 18— насосо-компрессорные трубы; 19— глубинный насос; 20 — газовый якорь; 21 — уплотнение полированной штанги; 22 — муфта трубная; 23 — муфта штанговая; 24 — цилиндр глубинного насоса; 2 5 — плунжер насоса; 2 6 — нагнетательный клапан; 2 7 — всасывающий клапан

ными муфтами 22. В верхней части колонны установлен устье­ вой сальник, герметизирующий насосно-компрессорные тру­ бы. Через сальник пропущена полированная штанга. Оборудо­ вание устья скважины имеет отвод, по которому откачиваемая жидкость направляется в промысловую сеть.

Скважинный насос III представляет собой насос односторон­ него действия. Он состоит из цилиндра 24, прикрепленного к колонне насосно-компрессорных труб, плунжера 25, соединен­ ного с колонной штанг. Нагнетательный клапан 26 установлен на плунжере, а всасывающий 27 — в нижней части цилиндра.

Ниже насоса при необходимости устанавливается газовый IV или песочный якорь. В них газ и песок отделяются от пластовой жидкости. Газ направляется в затрубное пространство между насосно-компрессорной 18 и обсадной 16 колоннами (на фраг­ ментах I—IV рисунка эксплуатационная колонна не показана), а песок осаждается в корпусе якоря.

При работе СШНУ энергия от электродвигателя передается через редуктор к кривошипно-шатунному механизму, преобра­ зующему вращательное движение выходного вала редуктора че­ рез балансир в возвратно-поступательное движение колонны штанг. Связанный с колонной штанг плунжер также совершает возвратно-поступательное движение.

7.1.1. КЛАССИФИКАЦИЯ СКВАЖИННЫХ

ШТАНГОВЫХ НАСОСНЫХ УСТАНОВОК

Различные геолого-технические условия применения скважин­ ных штанговых насосных установок (СШНУ) привели к огром­ ному количеству разработанных узлов и целых систем, состав­ ляющих указанную насосную установку. Классификация сква­ жинных штанговых насосных установок представлена в виде морфологической матрицы на рис. 7.2 [7].

Верхняя строка морфологической матрицы представляет на­ земный привод разных видов и модификаций. Так, в первом столбце (блоке) расположен механический балансирный станоккачалка с синусоидальным (или близким к нему) законом дви­ жения, во втором — механический безбалансирный станок-ка­ чалка с тем же законом движения выходного звена, в третьем — механический привод с трапецеидальным законом движения

выходного звена, в четвертом — гидравлический привод с тра­ пецеидальным законом движения, в пятом — пневматический с тем же законом движения. В остальных блоках (заполненных пунктиром) могут располагаться другие по виду основных рабо­ чих органов или закону движения выходного звена (в данном случае — точки подвеса полированного-штока) виды приводных частей штанговой скважинной насосной установки.

Вторая строка содержит структурные единицы оборудования герметизации устья. В первом столбце второй строки находится устьевой сальник со сплошным полированным штоком, во вто­ ром — с полым полированным штоком, в третьем — с заглуб­ ленным сальником, в четвертом — со скважинным сальнико­ вым уплотнителем, в пятом — с использованием ленточных или реечных подвижных элементов. Другие виды уплотнений колонны насосных штанг на устье скважины могут быть представлены в остальных блоках данной строки.

В третьей строке расположены блоки, представляющие виды штанговых колонн. Первый вид — обычная стальная колонна штанг, отдельные элементы которой соединяются друг с другом с помощью резьбы, во втором блоке — комбинированная ко­ лонна штанг, включающая металлические и неметаллические штанги, в третьи блоке — непрерывные стальные эллипсообраз­ ные штанги, в четвертом — непрерывные стальные канатные штанги, в пятом — стальные ленточные штанги и т.д.

В четвертой строке расположены скважинные насосы. Плун­ жерные одноступенчатые насосы расположены в первом блоке, насосы для откачки высоковязких жидкостей расположены во втором блоке, в третьем — насосы для работы с сильно газиро­ ванными жидкостями, в четвертом — насосы для откачки жидко­ сти со значительным содержанием механических примесей и т.д.

Различные виды рабочих органов скважинных насосов пред­ ставлены в пятой строке, в шестой строке размещены разные виды клапанных узлов насосов.

Представленная на рис. 7.2 морфологическая матрица может быть продолжена как по вертикали (вплоть до видов крепежных элементов и конструктивного исполнения их резьбы), так и по горизонтали в каждой строке. Причем, даже если на сегодняш­ ний день какая-либо строка или столбец могут казаться запол­ ненными, то из-за непрекращающегося научно-технического

прогресса уже завтра в указанных столбцах и строках могут по­ явиться десятки новых элементов и новых свободных ячеек.

7.2. ОБО РУДО ВА Н ИЕ СКВАЖ ИННЫ Х Ш ТАНГОВЫ Х

НАСОСНЫ Х УСТАНОВОК ДЛЯ Д О БЫ Ч И Н ЕФ ТИ

С точки зрения экономических возможностей СШНУ могут обеспечить высокий напор в ограниченном диапазоне подач от 5 до 50 м3/сут. В области подач от 1 до 40 м3/сут СШНУ имеет более высокий КПД по сравнению с другими способами добычи нефти и при подаче, равной 35 м3/сут, он может достигать мак­ симального значения (37%). Таким образом, СШНУ хорошо приспособлена для работы в условиях малого и среднего дебита скважин. Однако, в некоторых случаях подача может достигать 200 м3/сут и глубины подвески насосов достигают 2500 м [15].

Независимо от конструкций основных узлов, для всех СШНУ характерны следующие особенности: 1) значительное удаление гидравлической части насоса от механической, т.е. плунжера с цилиндром от кривошипно-шатунного механизма; 2) вертикаль­ ное расположение основных элементов установки; 3) малый поперечный (диаметральный) размер деталей, входящих в гид­ равлическую (подземную) часть установки. Все это в свою оче­ редь обусловливает следующие явления, неблагоприятные для работы СШНУ.

1. Суммарная деформация колонны штанг и насосно-комп­ рессорных труб достигает значительных величин и соизмерима

сдлиной хода плунжера.

2.Закон движения точки подвеса штанг отличается от закона движения плунжера, фактическая длина хода плунжера на 200— 500 мм меньше длины хода точки подвеса штанг. Поэтому при выборе режима работы установки стараются обеспечить макси­

мальную длину хода плунжера.

3. Усилие в точке подвеса штанг постоянно направлено вниз и отличается при ходе вверх и вниз на 30—50%. Постоянство на­ правления нагрузки в точке подвеса штанг, обусловленное весом колонны штанг и столба жидкости под плунжером глубинного на­ соса, обусловливает неравномерную загрузку приводного двигателя.

За время полного оборота кривошипа, т.е. за время одного цикла работы глубинного насоса, происходит подъем и опуска­ ние штанг. При этом при ходе штанг вверх двигатель привода должен затратить дополнительную работу по подъему штанг — увеличению их потенциальной энергии. Полезная работа двига­ теля при ходе вверх расходуется на подъем жидкости.

Для обеспечения хода штанг вниз не нужно совершать допол­ нительной работы — колонна опускается вниз силой собственно­ го веса, а приводной двигатель при этом работает вхолостую.

Для обеспечения равномерной нагрузки двигателя за время двойного хода и уменьшения его мощности привод СШНУ снаб­ жают уравновешивающим устройством (в данном случае — гру­ зы на правом плече балансира), назначение которого аккумули­ ровать энергию, получаемую от приводного двигателя и штанг, при ходе плунжера вниз и отдавать ее при ходе штанг вверх.

7.2.1. МЕХАНИЧЕСКИЕ ПРИВОДЫ СКВАЖИННЫХ

ШТАНГОВЫХ НАСОСНЫХ УСТАНОВОК.

КЛАССИФИКАЦИЯ, ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ

Общая классификация приводов штангового скважинного насоса

Приводы штангового глубинного насоса могут быть класси­ фицированы: 1) по роду используемой энергии в передаче; 2) по числу обслуживаемых одним приводом скважин; 3) по виду пер­ вичного двигателя [8].

По роду используемой энергии различают приводы: механи­ ческие, гидравлические и пневматические. В механическом при­ воде глубинного насоса основные функции выполняют механи­ ческие передачи, в качестве передаточного звена в гидравличес­ ких приводах применяются жидкости, а в пневматических — воздух.

Наиболее распространенными являются механические при­ воды штанговых насосов. Определенное применение имеют гид­ равлические приводы насосов. Пневматические устройства в качестве привода глубинного насоса имели незначительное при­ менение из-за многих существенных недостатков.

Общая классификация индивидуальных приводов штанговых насосов

В соответствии с общей классификацией приводов насосов индивидуальные приводы также подразделяют на: механичес­ кие, гидравлические и пневматические с электрическим или теп­ ловым двигателем. Они имеют следующие основные параметры.

1.Допускаемая нагрузка Ртт (сумма статических и динами­ ческих нагрузок) в точке подвеса штанг.

2.Длина хода точки подвеса штанг Sa.

3.Число ходов точки подвеса штанг лтах.

Исходя из максимальной величины этих параметров, совре­ менные индивидуальные приводы насосов могут быть разделе­ ны на следующие категории.

По величине максимальной нагрузки в точке подвеса штанг. В современной практике применения штанговых насосов встре­ чаются приводы с максимальной нагрузкой в точке подвеса штанг Ртт от 500—800 кг до 15—28 т.

Исходя из такого диапазона изменения нагрузок Ртт (т), при­ воды насосов могут быть следующие:

По длине хода точки подвеса штанг. В нефтепромысловом деле практическое применение имеют приводы с максимальной длиной хода точки подвеса штанг от 0,3 до Юм. Большое рас­ пространение имеют приводы с длиной хода до 6 м.

По максимальной длине хода Smix в точке подвеса штанг при­ воды могут быть следующие (м):

По числу двойных ходов точки подвеса штанг. Практическое применение имеют приводы с максимальным

числом ходов от 2—4 до 20 в минуту.