4.5 Вібраційні насосні установки

Вібраційні машини широко застосовуються в будівельній промисловості, в бурінні неглибоких свердловин та інших областях техніки.

Установки вібраційних насосів відрізняються простотою конструкції свердловинного обладнання, відсутністю в ньому робочих пар, що труться або обертаються, невеликими габаритами та достатньо високими значеннями ККД.

Багатоклапанний вібраційний свердловинний насос призначений для відкачування рідин з нафтових свердловин, володіє відносно малою металоємністю обладнання і тривалим міжремонтним періодом свердловин при відкачуванні рідини, яка містить механічні домішки (пісок).

Насосна установка (рис. 4.13) складається з механічного вібратора, з електродвигуном 1, який встановлений на усті свердловини, гелікоїдальних пружин 2, які підтримують верхній фланець, колони насосно-компресорних труб 3, зворотних тарілчастих клапанів 4 і центраторів 5.

Принцип дії вібраційного насоса. При роботі поверхневого вібратора колона труб здійснює зворотно-поступальний рух у вертикальному напрямку. Якщо прискорення, яке надається трубам, заповненим рідиною, достатньо велике, то на деяких ділянках шляху сила інерції рідини перевищує суму сил, які прикладені до рідини, буде направлена вверх і рідина почне переміщуватись відносно труб, піднімаючись на поверхню. Розрахункова подача установки коливається в межах 2 - 150 м³/добу. Установки розраховані на амплітуду від 3 до 20 мм при частоті від 60 до 1200 циклів хв^-1.

1 - механічний вібратор з електродвигуном; 2 - гелікоїдальні пружини; 3 - колона НКТ; 4 - зворотні тарілчасті клапани;

5 – центратори

Рисунок 4.13 - Схема багатоклапанного вібраційного свердловинного насоса

4.6 Установки гідропоршневих насосів

Гідропоршневі насосні установки (ГПНУ) дозволяють експлуатувати свердловини з глибин до 4500 м, з максимальним дебітом до 1200 м³/доб, при високому вмісті в пластовій рідині (до 98 %) води, механічних домішок (до 2 %), до 0,01 г/л H₂S, при температурі пласта до 120 °С.

Принцип дії установок базується на використанні енергії рідини (нафти без води), що закачується під високим тиском по спеціальному каналу або по внутрішньому каналу труб в гідравлічний вибійний поршневий двигун зворотно-поступальної дії, який перетворює цю енергію у зворотно-поступальний рух жорстко зв’язаним з двигуном поршневого (плунжерного) насоса.

Переваги:

- відсутні механічні енергопередавальні зв’язки (штанги, канати, кабелі);

- дозволяють експлуатувати свердловини любої кривизни;

- регулювати величину відбору рідини;

- створювати загальний привод для декількох свердловин.

Крім того, можна використовувати насос скидального типу.

До недоліків установок гідропоршневих насосів відноситься перш за все наявність складного поверхневого обладнання, особливо для підготовки робочої рідини, обслуговування якого досить трудомістке. Але високий ККД установки, облегшений спуск-підйом, придатність до роботи в складних умовах експлуатації стимулює його застосування.

Умовне позначення:

УГПН 25 – 25

подача,м³/добу тиск нагнітання, МПа

В комплект обладнання ГПНУ входить:

- гідропоршневий насосний агрегат (свердловинний насос і гідродвигун), який розміщений у нижній привибійній частині обсадної колони;

- колони насосно-компресорних труб;

- блок підготовки робочої рідини і насосний блок.

Гідропоршневі насосні установки класифікуються:

- за типом принципіальної схеми циркуляції робочої рідини (відкрита або закрита);

- за принципом дії свердловинного насоса (одинарної, двійної дії або диференціальний);

- за принципом роботи заглибного двигуна (диференціальної або двійної дії);

- за способом спуску заглибного агрегату (ті, що спускаються на колоні НКТ – фіксовані або вільні – скидальні у свердловину);

- за числом гідропоршневих насосних агрегатів, які обслуговуються однією наземною установкою (індивідуальні або групові).

На рис. 4.41 представлені принципіальні схеми закритої і відкритої ГПНУ. В установках із закритою схемою рідина після виконання нею корисної роботи із гідродвигуна по окремому каналу піднімається на поверхню. Продукція пласта, яка виходить із насоса, піднімається по своєму окремому каналу.

В установках з відкритою схемою рідина, виходячи із двигуна, змішується з рідиною, яка виходить із свердловинного насоса, і піднімається на поверхню по загальному каналу.

Недоліком першої схеми є велика металоємкість. Перевагою цієї схеми є незначні втрати робочої рідини, які визначаються тільки втратами із системи привода.

Установки з відкритою схемою володіють меншою металоємкістю, так як передбачують канали тільки для двох потоків рідини – зверху вниз – робочої, а знизу вверх – суміші робочої і пластової рідини. Відповідно простіше і обладнання устя. Недоліком цієї системи є необхідність обробки великої кількості рідини, що вимагає використання складних і високопродуктивних систем для її підготовки.

1 – електродвигун; 2 – силовий насос; 3 – лінія подачі робочої рідини; 4 – гідродвигун; 5 – гідронасос; 6 – клапан для відводу продукції свердловини; 7 – клапан для відводу робочої рідини; 8 – блок підготовки робочої рідини; 9 – трубопровід для підводу робочої рідини; 10 – трубопровід для відводу свердловинної рідини

Рисунок 4.14 - Принципіальні схеми закритої (а) і відкритої (б) гідропоршневої насосної установки

Принципові схеми насосів заглибних агрегатів представлені на рис.4.15. В агрегатах одинарної дії шток з двома поршнями здійснює зворотно-поступальний рух в результаті поперемінної подачі рідини із напірного трубопроводу в порожнину над поршнем гідродвигуна 4, то під поршень.

Рідина подається золотниковим пристроєм. В результаті в насосі одинарної дії при ході поршня вверх пластова рідина попадає через всмоктувальний клапан 12 в порожнину насоса 10, а при ході поршня вниз витісняється через нагнітальний клапан 13 в напірний трубопровід 1. Клапани 12 і 13 кулькового типу.

Порожнина над поршнем насоса з’єднана із затрубним простором за допомогою отвору 8.

В агрегатах двійної дії при переміщенні поршня насоса вверх пластова рідина попадає через клапан 12 в порожнину і витісняється із порожнини насоса через клапан 13.

При ході поршня вниз пластова рідина витісняється із порожнини насоса через нагнітальний клапан.

Таким чином, при кожному ході поршня рідина подається в напірний трубопровід.

В агрегатах з насосом диференціальної дії поршень насоса виконаний наскрізним з розміщеним в ньому нагнітальним клапаном 13.

а) б) в)

а) односторонньої дії; б) двосторонньої дії; в) диференціальної дії

1 – вихід свердловинної рідини; 2 – вихід робочої рідини; 3 – вхід робочої рідини; 4 – гідродвигун із золотником; 5 – поршень гідродвигуна; 6 – шток; 7 – ущільнення насоса; 8 – отвір; 9 – поршень свердловинного насоса; 10 – свердловинний насос; 11 – вхід свердловинної рідини; 12 – всмоктувальний клапан; 13 – нагнітальний клапан

Рисунок 4.15 – Принципові схеми гідропоршневих насосів

При ході поршня вниз всмоктувальний клапан 12 закритий, із порожнин над і під поршнем в нагнітальний трубопровід витісняється об’єм рідини, який рівний об’єму штока, що знаходиться в порожнині, при ході поршня вверх нагнітальний клапан 13 закритий, а всмоктувальний 12 відкритий. В результаті пластова рідина витісняється із порожнини над поршнем в напірний трубопровід, а нова порція поступає в порожнину під поршень.

Співвідношення об’ємів пластової рідини, яка витісняється в напірний трубопровід при ході вверх і вниз, буде визначатися співвідношенням площ поперечного перерізу поршня і штока насоса.

Використання скидальних заглибних гідропоршневих агрегатів (рис.4.16) дозволяє корінним чином змінити спуско-піднімальні роботи при заміні заглибного агрегату, значно полегшуючи їх.

Скидальний заглибний агрегат спускається всередину НКТ, яка заповнена рідиною, що закачується з поверхні. В нижній частині колони НКТ встановлено сідло, в яке агрегат запресовується потоком робочої рідини. В свердловину можна спустити два ряди НКТ. Можна спустити у свердловину один ряд НКТ, в цьому випадку НКТ герметизуються встановленим у свердловині пакером. Таким чином, утворюється канал для подачі робочої рідини (НКТ) і канал (міжтрубний простір) для піднімання на поверхню рідини, яка відкачується насосом із свердловини і змішаною з відпрацьованою рідиною, яка виходить із поршневого привода. Для підйому заглибного агрегату на поверхню потік робочої рідини направляють у міжтрубний простір, рідина попадає під заглибний агрегат і виштовхує його до поверхні. Щоб робоча рідина не виходила в порожнину під пакер, в ньому є зворотний кульовий клапан.

Таким чином, спуско-піднімальні роботи здійснюються без підйому труб.

Заглибний агрегат, що скидається в НКТ діаметром 73 мм, має зовнішній діаметр 58 мм і довжину близько 4 м. Його маса складає близько 40-45 кг.

При великих подачах необхідно застосовувати заглибні агрегати, що спускаються у свердловину на колоні НКТ.

а) – спуск; б – робота; в – підйом

Рисунок 4.16 – Схема спуску, роботи і підйому скидального гідропоршневого насосного агрегату при визначеному положенні устьового чотирьохходового крана:

5.6.1 Свердловинні гідропоршневі двигуни, насоси і золотники

Заглибний агрегат (ГПНУ) включає свердловинний насос і гідродвигун із золотниковим пристроєм для розподілення потоку рідини. В основному це агрегати з двигуном і насосом двосторонньої або диференціальної дії.

На рис.4.17 представлена схема заглибного агрегату. Заглибний агрегат складається із поршня і циліндра двигуна 1, штока 2, який з’єднує поршень двигуна з поршнем насоса, золотника 3, поршня і циліндра насоса 4.

1 – поршень; 2 – шток; 3 – золотник; 4 – плунжер

Рисунок 4.17 – Схема диференціального гідропоршневого насоса

По каналу А робоча рідина поступає під поршень двигуна в порожнину Б, в якій створюється постійний тиск робочої порожнини. При положенні поршнів і золотника, вказаному на рисунку, порожнини Б і В (під і над поршнем двигуна) з’єднані один з одним. Шток нижнім своїм кінцем виходить в порожнину насоса, де тиск дорівнює тиску стовпа відкачуваної рідини. Тиск робочої рідини більший, ніж тиск стовпа відкачуваної рідини. На поршень двигуна зверху і знизу діє однаковий тиск робочої рідини. На поршень насоса зверху і знизу діє тиск стовпа відкачуваної рідини. На шток зверху діє тиск робочої рідини, а знизу - відкачуваної рідини. Таким чином, створюється сила, що діє на шток зверху вниз і що просуває всю поршневу групу вниз. Відбувається перетікання рідини, яку відбирають з порожнини Д через нагнітальний клапан в порожнину Г над поршнем насоса. Всмоктувальний клапан насоса в цей час закритий. При цьому частина відкачуваної рідини в об'ємі штока, що входить в циліндр насоса, виштовхується в підйомний канал.

У крайньому нижньому положенні поршнів повздовжня канавка на верхній частині штока сполучає порожнину Б з камерою під золотником Е. Оскільки нижня головка золотника діаметром більше, ніж верхня, а тиск над і під золотником однаковий і рівний тиску робочої рідини, золотник під дією різниці сил (добуток тиску на площу) піднімається у верхнє положення і з’єднує канали В і С. Таким чином, порожнина Б сполучається з порожниною Г, над поршнем двигуна встановлюється тиск стовпа відкачуваної рідини. Під поршнем двигуна, в порожнині Б, залишається постійний тиск робочої рідини. В результаті на поршень двигуна починає діяти сила, обумовлена різницею тиску в порожнинах Б і В, і поршнева група починає рух вверх.

У насосі закривається нагнітальний і відкривається всмоктувальний клапани. Відбувається всмоктування рідини з порожнини свердловини в циліндр насоса (у порожнину Д). У крайньому верхньому положенні повздовжня канавка, розташована в нижній частині штока, сполучає порожнину Е у золотника з порожниною Г. Тиск під золотником падає до тиску стовпа відкачуваної рідини. Над золотником діє високий тиск робочої рідини. Під дією перепаду тиску золотник пересувається в нижнє положення, яке показане на рис. 11.4. Після цього робочий цикл заглибного агрегату повторюється.

Конструкція заглибного агрегату має наступні особливості. Поршні двигуна і насоса виконані із сталі з покриттям їх поверхні хромом. Шар хрому завтовшки близько 0,07 мм відрізняється високою твердістю і хорошою зносостійкістю.

Циліндри двигуна і насоса складені із сталевих втулок (сталь марки 38ХМЮА) з азотованою внутрішньою поверхнею. Карбіди, що утворюються при азотуванні, дозволяють підвищити твердість поверхні втулок до 80 за шкалою НRА. В результаті в гідропоршневих насосах використовується найбільш зносостійка пара тертя. Такі ж пари використовуються в штангових насосах за особливо важких умов їх експлуатації.

Ущільнення рухомих деталей в агрегаті щілинні. Вони розташовані між золотником і штоком, золотником і корпусом золотника, корпусом під золотником і штоком.

Визначення подачі насоса. Подача насоса визначається за формулою

Q = 1440·S_n·d_H ²·η·n, м³/добу, (4.18)

де S_n – довжина ходу, м;

d – діаметр поршня, м;

η– коефіцієнт подачі;

n – число ходів.

Відбір рідини із свердловини регулюється в широких межах зміною на поверхні кількості поданої до заглибного двигуна робочої рідини, при цьому можна отримати частоту переміщень від 10 до 60 за хв.

Визначення витрат робочої рідини. При підборі гідропоршневого насоса необхідно прагнути до максимального скорочення витрат робочої рідини (витрати на тону видобутої нафти).

Витрати робочої рідини (м³/доб) будуть рівні

Q_роб = 1440 (2F₂ – f) ∙ s ∙ n ∙ K_р , (4.19)

де F₂ – площа поперечного перерізу плунжера заглибного двигуна, м²;

f – площа поперечного перерізу штока, м²;

s – довжина ходу плунжера заглибного двигуна,м;

n – число подвійних ходів плунжера за хв.

K_р – коефіцієнт витрат робочої рідини (відношення фактичних витрат до теоретичних).