2765.Оборудование для добычи нефти и газа Часть 2

Таким образом, при соотношении диаметров плунжеров X = 1,48—1,78 вышеупомянутые потери мощности минималь­ ные, а коэффициент полезного действия скважинного оборудо­ вания максимальный.

Рекомендации. При конструировании гидроштанговых уста­ новок необходимо подбирать диаметры плунжеров скважинно­ го агрегата в соотношении, соответствующем указанному ин­ тервалу.

Одной из задач исследования энергетических показателей установки было определение оптимальной подачи рабочей жид­ кости поверхностным силовым насосом. Для этого была выпол­ нена серия оптимизационных расчетов гидродинамических и энергетических параметров при различных значениях подачи поверхностного насоса. Было установлено, что наибольший ко­ эффициент полезного действия скважинного оборудования дос­ тигается при подаче насоса в интервале от 0,9 до 1,22 л/с. Сни­ жение подачи менее Qcu min приводит к увеличению времени сжа­ тия жидкости, времени хода плунжерной группы, времени пол­ ного цикла и, следовательно, к ухудшению показателей эффек­ тивности. Возрастание подачи более QCMmax приводит к повыше­ нию скорости жидкости в трубах, а следовательно, к снижению эффективности.

Таким образом, для эффективной работы скважинного обо­ рудования рекомендуемый диапазон подачи рабочей жидкости составляет Qcn = 0,9—1,22 л/с.

Одной из перспективных областей применения гидроштан­ говых установок является опробование скважин, где первооче­ редную роль приобретают такие факторы, как высокая монтажеспособность, транспортабельность, плавное в широких пре­ делах регулирование рабочих параметров установки.

При добыче высоковязкой битумной нефти гидроштанговые установки имеют следующие преимущества по сравнению с дру­ гими видами оборудования:

•обеспечивается движение плунжера скважинного насоса в двух направлениях, что достигается созданием избыточного дав­ ления наземным насосом у плунжера скважинного агрегата;

•при работе в скважинах с возможными парогазожидкост­ ными проявлениями глубинный агрегат не препятствует фонта­ нированию через скважинный насос;

•оборудование устья скважины собирается из узлов фон­ танной арматуры и обеспечивает надежность при выбросах;

•при добыче вязкой нефтяной массы в насосно-компрес­ сорных трубах возможно создание жидкостного подслоя, обес­ печивающего движение жидкости с незначительным гидродина­ мическим трением;

•простота конструкции, монтаж скважинного агрегата осу­ ществляется из стандартных узлов и деталей скважинных встав­ ных и невставных насосов, наземное оборудование имеет не­ большую массу и собирается из серийно выпускаемых узлов гид­ роаппаратуры;

•обеспечивается возможность плавного выхода на режим работы скважины с вязко-пластичными нефтями путем регули­ рования скорости движения плунжера.

6.4. ГИ Д РО И М П У Л ЬС Н Ы Е НАСОСНЫ Е УСТАНОВКИ

Конструкции гидроимпульсных насосов или как их называ­ ют в общепромышленной практике — гидротаранов были изве­ стны еще в прошлом столетии. Научно-конструкторский опыт разработки и применения гидротаранных насосов, гидроимпуль­ сных насосов уходит далеко в годы прошлого века. Насосы та­ ких конструкций всегда привлекали внимание ученых, изобре­ тателей и новаторов в областях водоснабжения и подъема про­ дукции нефтяных скважин.

Подъем больших объемов жидкости из скважин глубиной более 3000 м — очень трудная, но актуальная задача. Из имею­ щихся на вооружении в нефтяной промышленности техничес­ ких средств для подъема жидкости только гидропоршневые аг­ регаты могут обеспечить добычу нефти из больших глубин. Од­ нако, ввиду сложности и «прецизионности «в эксплуатации рабо­ чих узлов гидропоршневых насосов, в частности основных узлов глубинного агрегата «поршневой двигатель — плунжерный на­ сос», на практике эти установки не получили широкого распрос­ транения. Таким образом, нефтяная промышленность нуждается в разработке более простых и надежных глубиннонасосных уста­ новок, возможно, на основе новых принципов работы.

В этом направлении перспективен принцип прямого превра­ щения кинетической и упругой энергии силовой жидкости без промежуточных поршневых звеньев в полезную работу по подъе­ му жидкости из скважины при помощи глубинных гидроимпуль­ сных насосов.

Гидротаран изобретен в 1796 году французом И. Монгольфье (член Парижской академии наук и изобретатель воздушного шара). В 1797 году Монгольфье получил патент на свое изобретение и в 1799 году оно было представлено в Парижскую академию наук.

Гидротаран является насосом объемного типа, служащий для нагнетания жидкости с меньшей высоты на большую (известны примеры подъема гидротаранами жидкости на высоту 200 м) или подачи ее по горизонтали на большие расстояния (3—5 и более километров).

Наибольшая высота падения (высота расположения питатель­ ного бака относительно гидротарана) ничем не ограничена, т.к. сила гидравлического удара от нее не зависит. Сила удара зави­ сит главным образом от скорости, закрывающей ударный кла­ пан, которую можно регулировать весом ударного клапана. Наи­ меньшая высота падения, которую может использовать гидрота­ ран, исчисляется сантиметрами, но обычно предпочитают не ставить тараны при высоте падения меньше 1 м.

Предел высоты нагнетания зависит от давления в колпаке, от потерь в нагнетательной нише и может быть легко определен для каждого конкретного случая. Высота нагнетания в большей сте­ пени зависит от прочности тарана (колпака) и труб. Минималь­ ная высота нагнетания может быть равна нулю или вообще быть меньше высоты падения, если цель установки тарана заключает­ ся не в подъеме жидкости, а в подаче ее почти по горизонтали.

Работа гидротаранной установки (как и гидроимпульсного на­ соса) основана на принципе преобразования энергии упругих волн силовой жидкости, возникающих при гидравлических им­ пульсах, в полезную работу.

Гидравлический таран особенно оригинален автоматичнос­ тью работы при крайне простом устройстве. Здесь не требуются специальные приспособления для автоматической работы, так как это «органическое» свойство самого водоподъемника, основан­ ное на понижении давления в питательном трубопроводе, вслед­ ствие чего открывается ударный клапан, и восстанавливается за­ конченный цикл работы. При этом давление в трубе, хотя и на короткий промежуток времени, опускается ниже атмосферного давления независимо от высоты питательного трубопровода.

Теория работы гидравлических таранов с несомненностью показывает возможность нормальной работы таранной установ­ ки при использовании высоты падения 20—40 м и больше, при­ меняя достаточно прочные конструкции частей или специаль­ ные компенсаторы, смягчающие силу гидравлического удара, нисколько не считаясь с атмосферным давлением.

Процесс работы гидротаранной установки включает следующее:

1. Гидравлический таран является водоподъемником в кото­ ром двигатель и насос объединены в одной машине очень про­ стой конструкции, к тому же работающей автоматически. Дви­ жущиеся части тарана — два клапана — установлены так, что

повышение давления в питательной трубе закрывает ударный клапан и открывает нагнетательный, а понижение давления дей­ ствует в обратном порядке.

2. Смысл работы тарана в том, что он поднимает объем воды Q2 на высоту Н2, используя энергию объема-жидкости Q, находя­ щегося на высоте Нх < Н2. При этом объем воды Qt выливается наружу. Следовательно, таран, нагнетая воду, работает тоже во­ дой, и для действия его необходим в единицу времени объем воды

расположенный выше тарана на Я, метров. Из всего погло­ щенного объема воды таран нагнетает только некоторую часть.

3.Элементы таранной установки — нагнетательный клапан, воздушный колпак и нагнетательная труба — являются обычными частями почти любой насосной установки. Работа их достаточно изучена и не представляет специального интереса. Элементами, характеризующими гидравлический таран, как особую водоподъ­ емную машину и присущими всякой таранной установке, являют­ ся питательная труба и ударный клапан. Именно они предопреде­ ляют количественные и качественные показатели работы всей ус­ тановки. Теория тарана по существу сводится к выявлению работы этих элементов. Следует усвоить, что питательная труба не являет­ ся просто проводящей трубой, а есть неотъемлемая рабочая часть машины, а размеры ее не могут быть произвольны.

4.Полный цикл работы тарана ясно разделяется на два ха­ рактерных периода. В первый — период разгона — жидкость в питательной трубе приобретает необходимую скорость V т.е. разгоняется. Во второй — период нагнетания — происходит на­ гнетание жидкости из питательной трубы в колпак тарана под давлением Н за счет потери скорости Vr

Теоретические основы работы гидротаранов и гидроимпульсных насосов

Факт существования гидравлического удара был известен еще в XVIII веке, но правильная теория его была дана впервые про­ фессором Н. Е. Жуковским в 1897 году. Свои теоретические вы­ воды Жуковский Н. Е. проверил и подтвердил специальными

где Е — модуль упругости материала трубы, Н/м3; d — внут­ ренний диаметр трубы, м; Ad — толщина стенки трубы, м.

Амплитуда давления гидравлического импульса распростра­ няется вдоль трубы со скоростью звука, м/с.

(6.15)

Рассмотрим процесс распространения гидравлического им­ пульса в условиях, приближенных к работе гидроимпульсного на­ соса (рис. 6.24). В открытом конце трубы 1 поддерживается посто­ янное давление. Амплитуда давления Ар исходного волнового импульса при его выходе через открытый конец трубы должна исчезнуть. Это значит, что в открытом конце трубы образуется отрицательный отраженный импульс давления с амплитудой -р, возвращающийся со скоростью звука к началу координат. Амп­ литуда скорости этого импульса равна +Aw. В интервале супер­ позиции исходного и отраженного импульсов суммарная амп­ литуда давления +Ар + (-ДР) = 0, а суммарная амплитуда скоро­ сти +Aw + Aw = 2Aw. После выхода из трубы исходного импульса в ней наблюдается только отраженный отрицательный импульс давления с параметрами И (-АР; +Aw; -с), который в свою оче­ редь отражается от неподвижного поршня без изменения амп­ литуды давления и только после повторного отражения в откры­ том конце трубы приобретает амплитуду давления исходного импульса. Описанный процесс можно записать так:

Ип(+Др; +Aw; +с) —> И(-Др\ +Aw; -с) —>

Высокий КПД установки достигается при соблюдении до­ полнительных условий. Первое из них — это постоянная ско­ рость потока силовой жидкости в нагнетательной трубе, второе — своевременное переключение нагнетательного клапана.

В соответствии с принципом прямого превращения кинети­ ческой и потенциальной упругой энергии силовой жидкости в полезную работу в УкргипроНИИнефти в 70-х годах XX века был разработан гидроимпульсный насос. Рабочая схема гидро-

ваниям схема гидроимпульсного насоса разработана и описа­ на Э. Б. Чекалкжом и И. Н. Поливко*.

Работа гидроимпульсного насоса основана на принципе пре­ образования энергии упругих волн, индуцируемых в столбе жид­ кости в рабочих трубках, в полезную работу, в частности преоб­ разования энергии упругих волн силовой жидкости, возникаю­ щих при гидравлических импульсах (изменение давления в по­ токе жидкости в зависимости от скорости течения потока). При этом различают положительный гидравлический импульс, когда давление в трубопроводе повышается, и отрицательный, когда давление в трубопроводе падает. Подобные явления известны, глубоко изучены Н. Е. Жуковским, И. А. Парным и другими учеными. Рабочий цикл гидроимпульсного насоса разделяется на два полупериода: зарядки, когда расходуется силовая жид­ кость с постоянной скоростью, и разрядки, когда жидкость вса­ сывается из скважины с той же скоростью.

Оптимальным условием работы гидроимпульсного насоса яв­ ляется синхронизация частоты перемещения распределительного устройства и волновых процессов в рабочих трубках. В этом слу­ чае подача установки зависит только от расхода силовой жидко­ сти или от давления на силовом насосе, поскольку гидравличес­ кие потери являются также функцией расхода. Гидравлические потери установки суммируются из потерь в рабочих узлах глубин­ ного агрегата и потерь в подводящем канале (трубопроводах, НКТ).

Оптимальная синхронизация работы распределительного кла­ пана и собственной частоты колебаний жидкости в рабочих труб­ ках возможна, если перемещение распределительного клапана уп­ равляется импульсами. Неустойчивость распределительного кла­ пана 9 в крайних положениях возникает вследствие закрепления на нем шайбы 13. В любом крайнем положении клапана один из отводных каналов А для жидкости закрыт, и весь поток проходит через противоположный поток Б. В радиальной щели скорость потока возрастает, а давление снижается. С противоположной стороны шайбы жидкость находится в покое, поэтому там нет перепада давления. Длина рабочих трубок подбирается и рассчи­ тывается так, чтобы продолжительность переключения составля

*Труды УкргипроНИИнсфть. — М.: Недра, 1976. — Вып.18. С. 147—148, 160— 163.