51. Добыча нефти и газа. Насосная эксплуатация скважин.

Все известные способы эксплуатации скважин подразделяются на следующие группы:

1) фонтанный, когда нефть извлекается из скважин самоизливом;

2) компрессорный (газлифтный) - с помощью энергии сжатого газа, вводимого в скважину извне;

3) насосный - извлечение нефти с помощью насосов различных типов.

Выбор способа эксплуатации нефтяных скважин зависит от величины пластового давления и глубины залегания пласта. Статистика по используемым способам эксплуатации скважин в России показана в табл. 24.

Таблица 24 Статистика по используемым способам эксплуатации скважин в России

Способ эксплу атации	Число скважин, %	Средний дебит, т/сут		Добыча, % от общей
		нефти	жидкости	нефти	жидкости
Фонтанный	4,0	31,1	51,9	19,5	9,3
Газлифтный	1,1	35,4	154,7	11,6	14,6
УЭЦН	48,9	28,5	118,4	52,8	63,0
ШСН	44,1	3,9	11,0	16,1	13,1
Прочие	1,9	-	-	-	-

Примечание: ШСН – штанговые скважинные насосы; УЭЦН – установки центробежных электронасосов

При насосном способе эксплуатации подъем нефти из скважин на поверхность осуществляется штанговыми и бесштанговыми насосами.

Наиболее распространенным способом добычи нефти в нашей стране является эксплуатация нефтяных скважин штанговы­ми насосами с приводом от станков-качалок (СКН). Около 70% действующего фонда нефтяных скважин в нашей стране эксплуатируются глубинными насосами, которыми добывается более 30% от общего объема добычи нефти. Этому способствует простота оборудования и его обслуживание, небольшие затраты на обуст­ройство скважин, что позволяет с высокими экономическими показателями эксплуатировать скважины с дебитами от нескольких килограммов до нескольких десятков тонн нефти в сутки. Штанговыми глубинными насосами можно добывать нефть с глубины до 3000 метров. В основном глубинно-насосную эксплуатацию применяют в среднедебитных (до 30-40 т/сут) и малодебитных (до 1 т/сут) нефтяных скважинах. Глубинный штанговый насос представляет собой плунжерный насос специальной конструкции. Привод насоса осуществляется с поверхности через колонну штанг. Поэтому такие насосы называются глубинными штанговыми насосами. Штанговые скважинные насосы предназначены для откачивания из нефтяных скважин жидкостей с температурой не более 130 °С, обводненностью не более 99 % по объему, вязкостью до 0,3 Па-с, минерализацией воды до 10 г/л, содержанием механических примесей до 3,5 г/л, свободного газа на приеме не более 25 %, сероводорода не более 50 мг/л и концентрацией ионов водорода рН 4,2-8,0. Стандарт предусматривает выпуск двух схем штанговых насосов: вставных и невставных. Основное принципиальное их отличие в том, что цилиндр невставного насоса встроен в колонну НКТ и для замены насоса необходим подъем колонны НКТ. Вставной насос опускается в трубы НКТ на штангах и крепится в нужном месте колонны с помощью специального в глубоких скважинах. При эксплуатации скважины штанговыми насосами к добываемой нефти не предъявляются строгие требования, которые имеют место при других способах эксплуатации. Штанговые насосы могут качать нефть, характеризующуюся наличием механических примесей, высоким газовым фактором и так далее. Скважинные насосы по ОСТ 26-16-06-86 выпускают следующих типов: НВ1 вставной с замком наверху, НВ2 вставной с замком внизу, НН невставной без ловителя, НН1 невставной с захватным штоком, НН2 невставной с ловителем К тому же, данный способ эксплуатации отличается высоким КПД. Станок-качалка и есть один из элементов эксплуатации скважин штанговым насосом. По сути, станок-качалка является приводом штангового насоса, расположенного на дне скважины. Это устройство по принципу действия очень похоже на ручной насос велосипеда, преобразующий возвратно-поступательные движения в поток воздуха. Нефтяной насос возвратно-поступательные движения от станка-качалки преобразует в поток жидкости, которая по насосно-компрессорным трубам (НКТ) поступает на поверхность. Если по порядку описать происходящие процессы при данном виде эксплуатации, то получится следующее. На электродвигатель станка-качалки подается электричество. Двигатель вращает механизмы станка-качалки так, что балансир станка начинает двигаться как качели и подвеска устьевого штока получает возвратно-поступательные движения. Энергия передается через штанги – длинные стальные стержни, скрученные между собой специальными муфтами. От штанг энергия передается штанговому насосу, который захватывает нефть и подает ее наверх. При эксплуатации скважины штанговыми насосами к добываемой Штанговая насосная установка (рис.29) состоит из глубинного плунжерного насоса 1, который спускается на НКТ 4 в скважину под динамический уровень, и станка-качалки, устанавливаемого на устье скважины, а также устьевого оборудования, состоящего из тройника с сальником и планшайбы. В скважину на штангах 3 спускается плунжер насоса 2.

Верхняя штанга называется полированным штоком, который проходит через сальник 6 и соединяется с головкой ба­лансира станка-качалки 7 с помощью траверсы и гибкой канатной подвески. Станок-качалка приводится в действие от электродвигателя через систему передач.

Вращение электродвигателя 11 станка-качалки при помощи редуктора 12, кривошипа 10 и шатуна 9 преобразуется в возвратно-поступательное дви­жения балансира 8, передавае­мое плунжеру насоса 2 через колонну штанг 3. На устье скважины устанавливается тройник 5, в который поступает нефть со скважины. В верхней части тройника имеется сальниковое устройство, через которое пропущена верхняя штанга (полированный шток), и которое служит для герметизации устья и недопущения разлива нефти во время работы насосной установки.

Рис.39. Штанговая насосная установка

Станок-качалка - это балансирный индивидуальный механический привод штангового скважинного насоса.

Станки-качалки, в основном выпускаются в двух исполнениях: СК и СКД, различающихся рядом конструктивных деталей. В шифре их типоразмера указываются важнейшие характеристики привода. Например, обозначение СК3-1,2-630означает: СК-вариант исполнения; 3-грузоподъемность в тоннах; 1,2 - максимальная длина хода головки балансира в метрах; 630 - наибольший крутящий момент на валу редуктора в кНм. Конструкция станков-качалок постоянно совершенствуется. На рисунке 30 показан станок-качалка типа СК.Так на базе станков-качалок СК- 6 и СКД - 8 на заводе «Ижнефтемаш» ПНШ 60 - 2,1 - 25 и ПНШ 80 - 3 - 40, которые имеют широкий диапазон выбора числа качаний и мощностей устанавливаемых двигателей, что позволяет обеспечивать оптимальные эксплуатационные условия добычи нефти при минимальных расходах электроэнергии. Самый распространенный станок-качалка типа СК показан на рис.19. В В России изготавливаются станки-качалки 13 типоразмеров по ГОСТ 5688-76. Штанговые насосы производят ОАО «Элкамнефтемаш» г.Пермь и ОАО «Ижнефтемаш» г.Ижевск. За рубежом станки-качалки обычной конструкции производятся по спецификации НЕ стандарта АНИ. Диапазон показателей: грузоподъемность 2-20 т; длина хода 0,5-6,0 м; крутящий момент до 12000 кг-м. В России наиболее известны фирмы "Lufkin" (США), "Industrial СА" (Румыния).

Кроме того, для механизированной эксплуатации специалистами ОАО «Ижнефтемаш» и подразделением ОАО «Татнефть» - ТатНИПИнефть разработан безбалансирный длиноходовой привод штанговых установок. Их устанавливают преимущественно на скважинах, эксплуатация которых осложнена высокой вязкостью нефти и образованием водонефтяной эмульсии, отложениями солей и парафинов на глубинно-насосном оборудовании. Помимо этого безбалансирные цепные приводы показывают хорошие результаты на скважинах малого диаметра и с дополнительными эксплуатационными колоннами, а также в скважинах, работающих в режимах периодической откачки. Кроме этого помимо снижения металлоемкости цепные приводы приводят к сокращению количества подземных ремонтов и экономии энергопотребления. В 2000 году был изготовлен опытный образец ПЦ-60 с трехметровой длиной хода штанг. Серийное производство началось через три года - после получения сертификата соответствия и разрешения Ростехнадзора. Следом появился опытный образец ПЦ-80 с длиной хода 6 метров, с 2006-го он выпускается серийно. Кроме того, выпускаются модификации с длиной хода 7,3 метра, ПЦ-60 облегченного варианта с открытой цепной передачей, а также ПЦ-40 с длиной хода 2,1 метра, который предназначен для малодебитных скважин.

Наибольшее распространение получила модель ПЦ-60 (рис.31). Она имеет следующие особенности, по сравнению с остальными:

- Малая частота качаний;

- Благоприятный режим движения штанг (с равномерной скоростью на большей части хода);

- Сокращение металлоемкости в 1,4 - 2 раза;

- Снижение габаритов привода скважинного штангового насоса.

Преимущества:

- Снижение сил гидродинамического сопротивления в подземной части УСШН в 1,7 раза;

- Возможность эксплуатации малодебитных скважин в непрерывном режиме;

- Экономия удельных энергозатрат на подъем продукции в 1,3-4 раза;

- Повышение коэффициента использования мощности в среднем на 50%;

- Снижение динамических нагрузок, увеличение срока службы скважинного оборудования;

- Снижение затрат на монтаж и обслуживание.

Рис.40 Станок-качалка типа СК

Рис.41 Привод цепной скважинного штангового насоса ЦП 60-18-3-0,5/2,5

Штанговые глубинные насосы имеют некоторые недостатки (недостаточно высокая производительность, необходимость установки громоздкого оборудования, опасность обрыва штанг при большой глубине скважин) поэтому на практике применяют различные виды бесштанговых насосов. Отличительная черта бесштанговых насосных установок - перенос двигателя непосредственно к насосу и устранение штанг. Наиболее широко распространены погружные центробежные электронасосы (ЭЦН).

В штанговой скважинно-насосной установке наиболее ответ­ственное и слабое звено — колонна насосных штанг. В связи с этим разработаны насосные установки новых типов с переносом привода (первичного двигателя) в скважину к насосу. К ним относятся установки погружных центробежных и винтовых элек­тронасосов.

Схема установки центробежного электронасоса

Установки погружных центробежных электронасосов (УЭЦН) широко начали применять для эксплуатации скважин с 1955 г.

УЭЦН состоит из погружного агрегата, оборудования устья, электрооборудования и НКТ (рис. 42).

Погружной агрегат включает в себя электроцентробежный насос 5, гидрозащиту и электродвигатель 3. Он спускается в скважину на колонне НКТ 7, которая подвешивается с помощью устьевого оборудования 11, устанавливаемого на колонной го­ловке эксплуатационной колонны 1. Электроэнергия от промыс­ловой сети через трансформатор 14 и станцию управления 13 по кабелю 8, прикрепленному к наружной поверхности НКТ кре­пежными поясами 9 (хомутами), подается на электродвигатель 8, с ротором которого связан вал центробежного электронасоса 5 (ЭЦН). ЭЦН подает жидкость по НКТ на поверхность. Выше насоса установлен обратный шаровой клапан 6, облегчающий пуск установки после ее простоя, а над обратным клапаном — спускной клапан для слива жидкости из НКТ при их подъеме. Гидрозащита включает в себя компенсатор 2 и протектор 4.

Рис.42 Схема установки погружного центробежного элект­ронасоса:

1 — эксплуатационная колонна; 2 — компенсатор;

3 — электродвигатель; 4 — протектор;

5 — центробежный электронасос; 6 — обратный и спускной клапаны;

7— насосно-компрессорные трубы;

8 — электрический кабель: 9 — крепежный пояс;

10 — обратный перепускной клапан;

// — оборудование устья; 12 — барабан для кабеля;

13 — станция

управле­ния; 14 — трансформатор

Погружной насос, электродвигатель и гидрозащита соединя­ются между собой фланцами и шпильками. Валы насоса, двига­теля и гидрозащиты имеют на концах шлицы и соединяются между собой шлицевыми муфтами.

Насос погружают под уровень жидкости в зависимости от ко­личества свободного газа на глубину до 250—300 м, а иногда и до 600 м.

ЭЦН имеют следующие преимущества перед глубинными штанговыми насосами:

1. Простота наземного оборудования;

2. Возможность отбора жидкости из скважин до 1000 м³/сут;

3. Возможность использовать их на скважинах с глубиной более 3000 м;

4. Высокий (от 500 суток до 2-3 лет и более) межремонтный период работы ЭЦН;

5. Возможность проведения исследований в скважинах без подъема насосного оборудования;

6. Менее трудоемкие методы удаления парафина со стенок НКТ.

Установка погружного центробежного электронасоса состоит из погружного электронасоса, спускаемого в скважину на НКТ, погружного электродвигателя, специального круглого и плоского бронированного кабеля, питающего электродвигатель электроэнергией, протектора, станции автоматического управления, автотрансформатора.

В собранном виде электродвигатель располагается внизу, под ним - гидрозащита (протектор), над протектором - насос. Наземное оборудование состоит из устьевой арматуры, ролика, барабана со стойками для кабеля, автоматической станции управления и автотрансформатора.

Принцип действия установки следующий. Электрический ток из промысловой сети через автотрансформатор и станцию управления по бронированному кабелю поступает к электродвигателю. Вращая вал насоса, электродвигатель приводит его в действие. Всасываемая насосом нефть проходит через фильтр и нагнетается по подъемным трубам на поверхность. Чтобы нефть при остановке агрегата не сливалась из подъемных труб в скважину, в трубах над насосом смонтирован обратный клапан.

Существенными недостатками электроцентробежных электронасососов являются: низкая эффективность при работе в скважинах с дебитом ниже 60 м³/сут; снижение подачи, напора и КПД при увеличении вязкости откачиваемой смеси, а также при увеличении свободного газа на приеме насоса.

В последнее время погружные электроцентробежные насосы с асинхронными двигателями все чаще подключают через системы частотно-регулируемого привода (ЧРП), которые позволяют подстраивать скорость вращения двигателя под дебит скважины, добиваясь ее оптимального режима работы. И поскольку системы ЧРП обычно «по совместительству» обеспечивают плавный пуск, исключающий мощные броски тока, снижаются сечение и вес электронного кабеля, питающего УЭЦН, увеличивается его ресурс.

Кроме перечисленных насосов в последнее время стали применяться винтовые, диафрагменные, гидропоршневые и струйные насосы.

Винтовой насос - это насос объемного действия, подача которого прямо пропорциональна частоте вращения специального винта (или винтов).

Винтовой насос имеет весьма незателивую конструкцию(включает резинометаллическую обойму и металлический винт) и обеспечивает постоянное движение перекачиваемой жидкости без пульсаций и нарушения течения потока. Частота вращения может варьироваться от 10 до 300 оборотов в минуту, что обеспечивает широкий диапазон изменения подачи. Благодаря способности к сухому всасыванию насос создает постоянную депрессию на пласт, что важно при добыче вязкой нефти. Привод установки находится на поверхности, за счет чего он постоянно доступен для осмотров, технического обслуживания и регулировки режимов.

Гидропоршневой насос - это погружной насос, приводимый в действие потоком жидкости, подаваемой в скважину с поверхности насосной установкой. При этом в скважину спускают два ряда концентрических труб диаметром 63 и 102 мм. Насос опускают в скважину внутрь трубы диаметром 63 мм и давлением жидкости прижимают к посадочному седлу, находящемуся в конце этой трубы. Поступающая с поверхности жидкость приводит в движение поршень двигателя, а вместе с ним и поршень насоса. Поршень насоса откачивает жидкость из скважины и вместе с рабочей жидкостью подает ее по межтрубному пространству на поверхность.