книги / Машины и оборудование нефтяных и газовых промыслов. Оборудование для эксплуатации и ремонта нефтяных и газовых скважин

8.4. Оборудование для нагнетания воды в нефтеносные пласты

Очищенная и обработанная вода направляется из резервуаров к насосным станциям – стационарным или блочным. Первые представляют собой капитальное помещение, в котором располагаются насосы с приводными двигателями, аппаратура управления и контроля, электрическое оборудование и бытовые помещения. Станции второго типа состоят из блоков, изготавливаемых и комплектуемых всем необходимым на заводе. Размеры блоков обеспечивают их транспортировку по железным и автомобильным дорогам. Монтаж блочного оборудования в 8–10 раз быстрее, чем сооружение капитальных станций.

Кустовые насосные станции К соединены с питающим трубопроводом 3 (рис. 8.6), который может быть кольцевым и опоясывать месторождение или его часть или линейным. От КНС жидкость под давлением направляется к нагнетательным скважинам 1, причем по мере разработки добывающие скважины 2 переводятся в нагнетательные. При этом соответственно видоизменяется и схема нагнетательных трубопроводов.

При сооружении систем кустовых станций почти половина денежных средств, более половины металла затрачивается на трубопроводы высокого давления и внутрискважинное оборудование. Отложение солей, коррозия резко сокращают сроки службы этих металлоемких, дорогостоящих коммуникаций, приводят к необходимости выполнения непрерывно нарастающих объемов крайне трудоемких ремонтных работ по смене трубопроводов, резко усложняющих функционирование промысла, увеличивающих трудоемкость добычи нефти. Поэтому при оборудовании трубопроводной сети особо важное значение имеют качество изоляционной защиты труб и использование труб с внутренним противосоляным покрытием.

Блочная кустовая станция (рис. 8.7) состоит из ряда блоков: насосных, управления, электроаппаратуры, распределительного и бытового. Вода из магистрального трубопровода подается в резервуары или, минуя их, на прием насосов. Число одновременно работающих насосных блоков определяется суммарным расходом жидкости. Один или два блока обычно являются резервными. По напорному трубопроводу жидкость направляется к распределительной гребенке, от которой через регуляторы расхода подается к нагнетательным скважинам.

Наиболее ответственными элементами КНС являются насосные агрегаты. Требования, предъявляемые к ним, следующие:

–КПД на рабочем режиме не ниже 70–75 %;

–равномерная подача;

–моторесурс при работе на максимальных параметрах не менее 7–10 тыс. ч, а продолжительность безостановочной работы – 600–1000 ч;

–минимальные габаритные размеры;

–устойчивость материала деталей гидравлической части к перекачиваемым жидкостям.

Насосы, используемые для закачки жидкостей в нефтяные пласты, как правило, специализированные, их основные параметры: подача – от 2 до 1000 м3/ч, давление 3 – 50 МПа. Для закачки воды в пласт используются насосы двух типов – центробежные

иплунжерные.

Центробежные насосы просты в монтаже и обслуживании, легко поддаются автоматизации и дистанционному контролю, могут длительно работать без обслуживающего персонала, обеспечивают высокую равномерность подачи. Однако они работают с пониженным КПД при отклонении подачи от оптимальной. Получение малой подачи и больших давлений при высоком КПД для них невозможно.

Насосы объемного действия, как правило, выполняются многоплунжерными с рабочими давлениями до 50 МПа, числом оборотов коленчатого вала 250 – 1000 мин–1. Их КПД при работе в широком диапазоне подач составляет 80–85 %.

131

Рис. 8.7. Схема блочной КНС:

1 – магистральный водопровод; 2 – буферная емкость; 3 – приемный коллектор; 4, 9, 11 – задвижки; 5 – центробежные насосы; 6 – электродвигатели; 7 – задвижки с

дистанцион-ным управлением; 8 – высоконапорный коллектор; 10 – сборный коллектор для грязной воды; 12 – емкость

Применяются трех-, пяти-, семи-, девятиплунжерные насосы одинарного действия, что обеспечивает нормальную работу приемных и напорных трубопроводов, на которых устанавливаются воздушные колпаки с разделительной мембраной. Скорость движения плунжеров достигает 1,2–1,5 м/с, причем в зависимости от длины хода изменяется максимальное число оборотов: для 75 мм – 450–500 мин–1; 100 мм – 400 мин–1; 125 мм – 350 мин–1; 150 мм – 230–260 мин–1.

В настоящее время выявилась тенденция создания быстроходных короткоходовых плунжерных насосов, что позволяет уменьшить их массу за счет уменьшения габаритов рамы и в ряде случаев отказаться от применения редукторов, понижающих число оборотов приводного двигателя. С другой стороны, данное направление приводит к ухудшению условий работы деталей пары уплотнение – плунжер.

Для изготовления плунжеров применяются высокоуглеродистые и нержавеющие хромистые стали с высокой поверхностной твердостью (HRC 55), получаемой в результате обработки ТВЧ. Рабочая поверхность плунжеров полируется, отклонение ее от цилиндрической формы допускается не более 0,01–0,02 мм. Известно использование керамических плунжеров.

Уплотнения плунжеров обычно изготавливаются из маслобензостойких резин или специальных эластомеров.

Вал насоса с двигателем соединяется:

–непосредственно с помощью компенсационной муфты – при использовании в качестве привода тихоходного ДВС или синхронного двигателя;

–с помощью зубчатого редуктора, монтируемого на фланце приводной части

насоса;

–с помощью клиноременной передачи.

Для нагнетания жидкости в пласт применяются центробежные многоступенчатые секционные насосы ЦНС с подачей до 1000 м3/с при давлении 0,4–20 МПа. В зависимости от типоразмера их КПД изменяется от 44 до 80 %.

Напор насосов ЦНС регулируется изменением числа ступеней. Конструкция насоса представляет собой набор секций, зажатых между всасывающей и

132

нагнетательной крышками и стянутых шпильками. Вал насоса установлен на подшипниках скольжения с принудительной смазкой, осевое усилие воспринимается упорным подшипником.

Для повышения долговечности основные детали насоса изготовляют из хромистых сталей: рабочие колеса и направляющие аппараты – литые из стали 20Х13Л, вал –

40ХФА.

Насосный агрегат имеет систему смазки и охлаждения, которая подает масло к подшипникам при пуске и работе насоса, обеспечивает его охлаждение.

Для сокращения расходов на строительство кустовых насосных станций в последние годы начато использование центробежных электронасосов в качестве водозаборных и одновременно нагнетательных, для чего они спускаются в скважины, пробуренные на пласты с водой, пригодной для закачки в нефтесодержащие пласты. В этом случае закачка осуществляется без водоподготовки, а одновременно с забором воды обеспечивается дополнительный напор (до 1200–1300 м), необходимый для нагнетания воды в пласт. Таким образом, вода перепускается из пласта в пласт без контакта с воздухом, т.е. без ее аэрации, без установок водоподготовки, без сооружения кустовых скважин. Однако при этом усложняется контроль и ремонт внутрискважинных насосов, двигателей, снижается КПД насосов и двигателей.

Помимо этого при удачном сочетании расположения водяного пласта и пласта, в который нагнетается вода, используют межпластовый переток, а для обеспечения соответствующего напора устанавливают ЭЦН, обеспечивающий перекачку воды из одного пласта в другой без подъема ее на поверхность.

В отдельных случаях, когда имеется высоконапорный водяной пласт, удается обеспечить подачу в продуктивный пласт без применения ЭЦН, только лишь за счет использования энергии пласта.

Как видно, закачка воды в пласт – процесс весьма энергоемкий. Энергоемкость определяется количеством подаваемой насосами жидкости и необходимым напором, а также КПД привода и насоса. В свою очередь, необходимый напор зависит от длины напорных трубопроводов, глубин нагнетательных скважин, эффективной площади сечения каналов в зоне фильтра – призабойной части пласта, в которой нагнетается вода. И одной из важнейших задач является поддержание параметров этой системы на уровне, обеспечивающем требуемый удельный расход энергии при закачке воды в пласт [7, 10].

8.5.Кустовые насосные станции

Сочистных сооружений вода подается на территорию промысла к кустовым насосным станциям. Кустовые насосные станции поднимают давление воды до давления нагнетания в пласт и направляют ее к водораспределительным гребенкам и далее к нагнетательным скважинам.

Кустовые насосные станции обычно состоят из насосного помещения, высоковольтного распределительного устройства, помещения систем управления и регистрации режимов работы, магистральной гребенки с аппаратурой распределения и регистрации режима подачи воды к скважинам и бытового помещения. Кустовая насосная станция раньше размещалась в кирпичном или шлакобетонном здании. При этом существенную долю затрат составляет стоимость строительства станции и прокладки трубопроводов. Зачастую строительство станции занимало по времени более года.

Для сокращения времени и стоимости строительных работ в последние годы внедряются блочные кустовые насосные станции – БКНС (рис. 8.8). В них сама станция монтируется из подготовленных на заводе блоков (насосного, распределительного устройства, водораспределительной гребенки, управления и других блоков). БКНС состоит из двух насосных блоков, блока низковольтной аппаратуры управления, блока

133

общестанционных щитов и блока гребенки. Каждый блок имеет плиту, предназначенную для крепления на них оборудования и для монтажа легкого укрытия. Фундаментов под насосы и стены не требуется. Такое решение отдельных блоков станции позволяет сократить сроки монтажа станции до 2 – 3 мес. и снизить ее стоимость.

Рис. 8.8. План компоновки БКНС

Блоки: I – насосный; II – низковольтной аппаратуры; III – управления; IV – гребенки; 1 – бак маслосистемы; 2 – центробежный насос; 3 – зубчатая муфта;

4 – электродвигатель; 5 – пост местного управления; 6 – приемный коллектор; 7 – задвижка; 8 – манометровая колонка; 9 – всасывающий трубопровод;

10 – трубопровод дренажных вод; 11 – задвижка с электроприводом; 12 – обратный клапан; 13, 21 – напорные трубопроводы; 14 – трубопровод отвода воды; 15 – щиты станции управления; 16 – бак дренажных вод; 17, 25 – печи отопления ПЭТ-2; 18 – общестанционные щиты; 19 – переход; 20, 22 – регулирующие вентили;

23 – сбросный коллектор; 24 – шкаф управления; 26 – шкаф дифманометров; 27 – напорный коллектор

Насосный блок имеет насосный агрегат, состоящий из бака маслосистемы, центробежного насоса, зубчатой муфты, соединяющей насос с электродвигателем. В баке маслосистемы смонтированы масляный насос, который включается до запуска

134

насоса ЦНС, фильтры и система охлаждения масла. В насосном блоке смонтирован пост местного управления. От приемного коллектора вода через задвижку, манометровую колонку и всасывающий трубопровод поступает в насос. На выкиде насоса установлены задвижка с электроприводом, обратный клапан, напорный трубопровод. Дренажная вода по трубопроводу идет в бак дренажных вод. Нагнетаемая вода от нескольких насосных агрегатов собирается трубопроводом и через переход направляется в напорную гребенку. В напорной гребенке установлены регулировочные вентили, напорные трубопроводы, сбросный коллектор, шкаф управления, шкаф дифманометров.

В блоке низковольтной аппаратуры установлены общестанционные щиты, а в блоке управления – щиты станции управления. Все блоки имеют печи отопления.

На этих станциях применяются центробежные насосы типа ЦНС с номинальной подачей 180 м3/ч воды и напором от 900 до 1900 м. Выпускается насос и на подачу 500 м3/ч с напором 1400, 1650 и 1900 м. Мощность приводных электродвигателей насосов типа ЦНС составляет от 800 до 4000 кВт.

Каждая секция насоса ЦНС (рис. 8.9) секционного типа состоит из рабочего колеса 6, направляющего аппарата 5 и корпуса секции 4. Рабочие колеса и направляющие аппараты литые, из стали марки 20Х13Л. Корпусы секций – поковки из стали марки 40ХФА. Число секций определяет напор насоса. Сборка секций закрыта кожухом 3. Секции с одной стороны имеют крышку всасывания 2, с другой – крышку нагнетания 8. Со стороны крышки нагнетания имеется разгрузочный диск 9, воспринимающий осевые усилия, действующие на вал. На рис. 8.10 показан узел разгрузочного диска и сальника, а также разрез по А–А (см. рис. 8.9) подшипника 1.

Рис. 8.9. Схема насоса ЦНС

Жидкость, проходящая от нагнетания через щель разгрузочного диска, попадает в полость, соединенную со всасывающим патрубком насоса. Сальник 10 имеет щелевое уплотнение с винтовой канавкой, нарезанной на втулке вала. При вращении вала винтовая нарезка гонит воду к разгрузочному диску, уменьшая утечки жидкости. Конечный сальник 10 имеет мягкое уплотнение из асбесто-графитовых колец АГ-1. Между щелевым и конечным сальниками имеется полость, из которой утечки отбираются в дренажную систему.

135

Рис. 8.10. Схема разгрузочного диска и сальников (а), сечение подшипника ЦНС (б)

Рис. 8.11. Схема смазки и водяных коммуникаций насосного агрегата ЦНС: 1 – электродвигатель; 2 – насос; 3 – линия для соединения стороны нагнетания со всасыванием; 4 – маслоохладитель; 5 – масляные фильтры;

6 – пусковой маслонасос; 7 – масляный бак

136

Сборка секций и крышек стянута длинными шпильками 7. Подшипники 1 расположены по обе стороны сборки секций и крышек. Конструкции их идентичны. В разрезе по А–А (см. рис. 8.10, б) видны место подвода масла к подшипнику и место его слива.

На рис. 8.11 приведена схема смазки насосного агрегата ЦНС и водяные коммуникации в агрегате. Масляные трубопроводы показаны сплошной линией, водяные – пунктиром. Смазываются подшипники электродвигателя, зубчатая муфта, подшипники насоса. Перед запуском насоса ЦНС смазка подается пусковым маслонасосом 6. При достижении давления масла 0,1 МПа включается насос ЦНС, и тогда начинает работать основной маслонасос, расположенный справа у торца вала насоса ЦНС. Пусковой маслонасос отключается после 5 мин работы насоса ЦНС. Масло охлаждается в маслоохладителе водой, которая подается в дренажную систему из полости между сальниками 10 и полости за концевым сальником (см. рис. 8.10). При эксплуатации возможны случаи, когда к сальникам надо подать воду, например, после длительной стоянки насоса, для того чтобы мягкое уплотнение концевого сальника не работало «всухую» [7].

8.6. Оборудование для гидроразрыва пласта

Гидроразрыв пласта основан на неоднородности (слоистости) структуры нефтесодержащих пластов, способности их расслаиваться под воздействием закачиваемой в пласт жидкости.

Процесс осуществляется нагнетанием в пласт под большим давлением порции жидкости гидроразрыва, что приводит к образованию послойных трещин, в которые сразу же закачивается жидкость-песконоситель, продавливаемая с помощью буферной жидкости. Крупнозернистый песок, заполняя трещины, создает высокопроницаемые слои, улучшающие приток жидкости к фильтру скважины.

Процесс гидроразрыва – быстротечный, эффективность его находится в прямой зависимости от темпа проведения операций собственно разрыва и заполнения трещины песком. Поэтому комплекс оборудования отличается высокой подачей и большими давлениями нагнетания. Необходимость в высоких давлениях (более 100 МПа) и больших подачах привела к использованию высоконапорных насосов и параллельной работе нескольких агрегатов, с мощными приводами и сложной обвязки. Дорогостоящее оборудование должно быть высокомобильным, быстро монтируемым, поэтому оно выполняется блочным и монтируется на автомобилях, что позволяет выполнять одним комплектом оборудования большое число гидроразрывов.

Основное оборудование для гидроразрыва пласта: автоцистерны для трех жидкостей – гидроразрывной, песконосителя, буферной, насосные агрегаты высокого давления для подачи гидроразрывной жидкости, пескосмесители, насосные агрегаты для закачки смеси песка с жидкостью-песконосителем, манифольд, оборудование устья скважины, комплект внутрискважинного оборудования – НКТ, якорь, пакер.

Автоцистерны. Требования к автоцистернам для гидроразрыва: наличие емкости заданного объема, средств стабилизации температуры жидкости, средств перекачки жидкости. Автоцистерна должна обладать хорошей проходимостью и быть или самоходной, или перевозимой тягачом.

Наиболее вместимой является цистерна ППЦ-23-5524П, включающая в себя собственно цистерну, насосный блок с трансмиссией, манифольд, систему самовсасывания и другое оборудование, смонтированное на автомобиле КрАЗ-257 и полуприцепе. Эта цистерна предназначена для перевозки неагрессивных жидкостей, подачи их на прием насосных установок при гидроразрыве, гидропескоструйной перфорации, кислотной обработке призабойной зоны.

137

Оборудование, установленное на цистерне, может обеспечить наполнение цистерны жидкостью из посторонней емкости; подачу жидкости из собственной или посторонней емкости с замером ее количества на прием насоса высокого давления.

Жидкость перекачивается насосным блоком, приводимым в действие ходовым двигателем через коробку отбора мощности и трансмиссию.

ТЕХНИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЦИСТЕРНЫ ППЦ-23-5524П

Вместимость цистерны, м3…………………………………………………….. 23

Наибольшая подача собственного насоса, л/с………………………….......... 37,5

Наибольшее давление, МПа…………………………………………………… 0,98

Цистерны других марок отличаются от описанной вместимостью, транспортной базой, подачей насосов. Однако общим для всех них является следующее.

Конструкция цистерны представляет собой емкость эллиптического или круглого сечения, сваренную из отдельных листов. В качестве насосов для заполнения или перекачивания жидкости используются центробежные самовсасывающие насосы, приводимые в действие ходовым двигателем. От коробки отбора мощности автомобиля энергия двигателя передается трансмиссией к насосному блоку.

Цистерны имеют дополнительное оборудование для контроля режима работы насосов: тахометр, манометр и т.п. Автомобили, на которых смонтировано оборудование, снабжаются искрогасителями, приспособлениями для закрепления манифольда и т.п.

Насосные агрегаты. Требование к насосным агрегатам: гидроразрывная и буферная жидкости должны закачиваться одним и тем же агрегатом с автономным приводом. Насосы агрегата должны иметь большую подачу и создавать давление, необходимое для гидроразрыва в условиях района применения.

Для создания давления используются насосные агрегаты 4АН-700 (рис. 8.12), смонтированные на шасси автомобиля КрАЗ-257. Оборудование агрегата включает в себя силовую установку, коробку передач, горизонтальный трехплунжерный насос 4Р700, манифольд и систему управления.

Силовая установка состоит из дизеля с многодисковой фрикционной муфтой сцепления, центробежного вентилятора, систем питания, охлаждения, смазки и других узлов. В качестве двигателя используется V-образный 12-цилиндровый четырехтактный дизель с непосредственным впрыском топлива и турбонаддувом. Коробка скоростей четырехступенчатая, обеспечивает следующие передаточные отношения: 4,67; 3,43; 2,43; 1,94.

Насос 4Р-700 трехплунжерный, горизонтальный, одинарного действия. Его конструкция предусматривает работу с плунжерами диаметром 100 или 120 мм. При этом максимальная подача составляет 22 л/с при давлении 21 МПа, а минимальная – 6,3 л/с при давлении 70 МПа.

Пескосмеситель. Агрегат должен обеспечивать перевозку песка и приготовление песчано-жидкостной смеси. Агрегаты имеют две емкости для заполнения песком двух фракций – мелкой и крупной. Бункер оснащен загрузочным шнеком, приводимым в действие гидромонитором. Гидропривод работает от ходового двигателя автомобиля. Для исключения образования песчаных пробок и прилипания песка к стенкам емкости на ней смонтированы вибраторы. Привод вибраторов пневматический от ходового компрессора.

Песчано-жидкостная смесь получается в гидросмесителе, оснащенном рабочим шнеком с гидроприводом. Производительность 50–75 т/ч. Смесь накапливается в аккумуляторе с лопастными мешалками и гидромоторами для исключения осаждения песка. Вместимость аккумулятора – 1–1,5 м3. Из аккумулятора к насосным агрегатам смесь подается песковым насосом.

138

Рис. 8.12. Насосный агрегат 4АН-700

В настоящее время применяются пескосмесительные агрегаты 4ПА (рис. 8.13). Агрегат 4ПА смонтирован на шасси автомобиля КрАЗ-257 и состоит из пульта

управления 1, аккумулятора 2, смесительного горшка 3, регулятора выдачи сыпучего материала 4, рабочего шнека 5, бункера 6, загрузочного шнека 7, пневмовибратора 8, масляного и пескового насосов, монтажной рамы 9.

Привод отдельных агрегатов песконосителя осуществляется ходовым двигателем. Манифольд предназначен для соединения в одну систему всех агрегатов

комплекса, управления процессом гидроразрыва, контроля и защиты.

Блок манифольда состоит из двух групп коммуникаций – низкого и высокого давлений и оснащен обратными клапанами, исключающими обратный переток жидкости в линию низкого давления при аварийной остановке одного из насосов.

Для контроля плотности, расхода, давления на центральной трубе размещены соответствующие датчики. Оба манифольда имеют предохранительные клапаны. Блок

139

оснащен комплектом запасных НКТ общей длиной 80–100 м, обычно диаметром 48 мм

сбыстромонтируемыми стыками и подъемным краном.

Внастоящее время применяется блок манифольда, который включает в себя напорный и приемный коллекторы, подъемную стрелу и комплект труб с шарнирными соединениями.

Напорный коллектор представляет собой кованую коробку с шестью отводами для соединения с насосными и цементировочными агрегатами, центральной трубы с датчиками контрольно-измерительных приборов: манометра, расходомера, измерителя плотности, двух отводов для соединения с арматурой на устье скважины, кранов и предохранительных клапанов.

Помимо этого на коробке установлены шесть обратных клапанов, автоматически отсоединяющих подключенные насосные агрегаты при прекращении ими подачи жидкости.

Блок манифольда позволяет проводить весь комплекс работ при давлении до 70 МПа, напорный коллектор соединяется двумя трубопроводами с арматурой устья. Раздаточный коллектор служит для распределения рабочих жидкостей – продавочного раствора, воды, песчано-жидкостной смеси и т.п. к цементировочным и насосным агрегатам.

Максимальное давление в раздающем коллекторе – 2,5 МПа.

Оборудование устья предназначено для соединения напорной линии, идущей от манифольда к скважине, с устьем скважины и колонной НКТ, а также соединения НКТ

сразными трубопроводами. Для этого применяются специализированные устьевые арматуры высокого давления.

Арматура состоит из крестовины с патрубком, устьевой головки с сальником и пробковых кранов. Крестовина имеет три горизонтальных отвода, к двум из которых через пробковые краны присоединяются напорные линии от манифольда. На крестовике устанавливается манометр с масляными разделителями. Устьевая головка имеет четыре отвода, три из которых соединены с пробковыми кранами, а на четвертом установлены манометр и предохранительный клапан. Нижняя часть головки с помощью резьбы соединяется с эксплуатационной колонной. Максимальное рабочее давление, на которое рассчитана арматура, – 70 МПа.

Рис. 8.14. Схема расположения оборудования при проведении гидроразрыва пласта: 1 – насосный агрегат 4АН-700; 2 – пескосмесительный агрегат; 3 – автоцистерна; 4 – песковоз; 5 – блок манифольда; 6 – арматура устья; 7 – станция контроля

и управления процессом

140