5.4. Подбор штангового насоса для оптимального отбора жидкости

Скважинный штанговый насос представляет собой одно­плунжерный насос с длинным цилиндром, шариковыми кла­панами и длинным проходным плунжером (рис. 5.3). При ходе плунжера вверх он нагнетает жидкость, находящуюся между стенками цилиндра и штангами, а в полость под плунжером по­ступает жидкость из скважины. При ходе вниз насос нагнетает (выжимает) объем жидкости, равный объему опускающегося в цилиндр штока, т.е. это насос дифференциального действия.

Скважинные штанговые насосы делятся на трубные и вставные. У первых цилиндр в скважину спускается на трубах, а плунжер и клапаны — на штангах. Вставные насосы спуска­ются в скважину в собранном виде на штангах и фиксируются в нижней части колонны НКТ замком (анкером).

В отличие от остальных насосов к основным параметрам скважинных штанговых насосов относятся номинальный диа­метр плунжера (или цилиндра) и длина хода плунжера. Схемы насосов и их основные параметры установлены с 2002 года государственным стандартом Российской Федерации (ГОСТ-Р 51896-2002), а до этого времени — отраслевым стандартом (ОСТ) и техническими условиями (ТУ).

Рис. 5.3. Конструктив­ные схемы невставных (трубных) насосов:

1 - шток клапана;

2 - муфты;

3 - втулки;

4 - кожух;

5 - плунжер;

6 - нагнетательный клапан;

7 - захват клапана;

8 - крестовина;

9 - всасывающий клапан

Условные диаметры скважинных насосов (плунжеров и цилиндров) выбирается из следующего стандартного ряда: 27 (29 - по ОСТ и ТУ), 32, 38, 44, 50, 57, 63, 70, 95, 120 мм.

Длина плунжера скважинного штангового насоса выби­рается в зависимости от требуемого напора насоса (глубины расположения динамического уровня, с которого насос должен обеспечить подъем пластовой жидкости). Плунжеры длиной 1200 мм рекомендуется применять до динамического уровня с глубиной до 1200 м, 1500 мм - до 1500 м, 1800 мм - 1800 м и более.

Современные скважинные штанговые насосы, широко при­меняемые на промыслах, имеют составной (втулочный) или безвтулочный (цельнометаллический) цилиндр. Втулочный насос (например — НВ1С) имеет цилиндр, набранный из вту­лок 3 длиной по 304 мм, размещенных в кожухе 4 и зажатых концевыми муфтами 2. К нижней муфте подсоединен узел всасывающего клапана 9. В цилиндре движется плунжер 5, имеющий узел нагнетательного клапана 6 (рис. 5.3).

Насос с безвтулочным цилиндром (НВ1Б, НВ2Б, НН2Б и др) имеет цельный цилиндр с концевыми резьбами. К резьбе подсоединены переводники. К нижнему переходнику подсоеди­нен узел всасывающего клапана, к верхнему — ограничитель хода плунжера. В цилиндре находится плунжер с нагнетатель­ным клапаном. Цельнометаллический цилиндр представляет собой цилиндрическое тело, внутренняя поверхность которого является рабочей. Эта поверхность имеет малую шероховатость, высокую точность обработки и большую твердость, такую же, как и у втулок втулочного цилиндра.

Переход от втулочного к цельнометаллическому цилиндру позволяет уменьшить наружный диаметр цилиндра, а также снизить трудоемкость сборки насоса и изготовления цилин­дра. Устраняется возможность сдвига втулок цилиндра при транспортировке, монтаже и эксплуатации насосов. Насосы с цилиндром без втулок изготавливаются трубными (насосы НН2Б, ННБА и др.) и вставными (насосы НВ1Б, НВ2Б).

Трубные (невставные) скважинные насосы (НН) выполня­ют нескольких типов - НН1, НН2, ННА.

Вставной насос (НВ) имеет следующую конструкцию (рис. 5.4). Насос 5 опускают внутрь колонны НКТ 1, в которой уста­новлено седло-конус 3 для посадки вставного насоса. Конус ино­гда имеет захватную пружину 4. Силы трения в конусе или силы трения и пружина, упирающаяся в выступ насоса, способствуют удержанию насоса на месте в начале работы при ходе плунжера вверх. К достоинствам насоса относится то, что при его смене он поднимается на поверхность земли на штангах без подъема колонны НКТ. Плунжер, имеющий нагнетательный клапан в нижней своей части, создает малое мертвое пространство. Но, поскольку насос спускается внутрь колонны НКТ, он имеет меньший диаметр плунжера, чем трубный насос, спускаемый с теми же НКТ. Это ограничивает подачу вставного насоса, а также снижает скорость течения жидкости в НКТ. Последнее важно при отборе жидкости с песком, так как вынос его будет хуже. Обратный клапан 2 предохраняет от попадания песка в цилиндр при остановках насоса.

Рис. 5.4. Схема вставного насоса.

1 - НКТ; 2 - обратный клапан; 3 - седло; 4 - пружина; 5 - насос; 6 - направление

Современные вставные насосы типов НВ1 (с установочным замком в верхней части насоса) и НВ2 (с замком внизу) могут выпускаться со сдвоен­ными всасывающими и сдвоенными нагнетательными клапанами. Такое дублирование клапанов принято из-за того, что вставные насосы обычно предназначены для спуска на большую глубину, чем трубные.

Трубные насосы типа ННА с ав­томатическим сцеплением штанг со штоком плунжера насоса спускаются в сборе на колонне НКТ. Штанги спуска­ются после спуска насоса на заданную глубину и автоматически соединяются со штоком плунжера. Конструкцией насоса предусмотрено автоматическое рассоединение колонны штанг и штока плунжера перед подъ­емом насоса и открытие сливного клапана для опорожнения колонны НКТ от откачиваемой жидкости.

Такая схема насоса позволяет спускать цилиндр диаметром большим, чем внутренний диаметр НКТ. Это дает экономию металла и позволяет иметь большую скорость потока жидкости при подъеме ее на поверхность. Последнее важно при отборе жидкости с песком для уменьшения возможности его оседания. Еще одним преимуществом данной конструкции насоса являет­ся отсутствие износа или повреждения плунжера невставного насоса при его спуске в колонну НКТ.

В зависимости от величины зазора между плунжером и цилиндром, выпускаются насосы пяти групп посадок (зазоров между плунжером и цилиндром насоса): 1 группа посадки — от 0 до 0,063 мм;

2 группа посадки — от 0,025 до 0,078 мм;

3 группа посадки — от 0,050 до 0,113 мм;

4 группа посадки — от 0,075 до 0,138 мм;

5 группа посадки — от 0,100 до 0,163 мм.

При оснащении скважины насосом группа посадки вы­бирается в зависимости от вязкости откачиваемой жидкости, содержания в ней песка, размера его частиц, обводненности продукции, температуры, глубины спуска и т.д. Чем больше вязкость жидкости, тем выше принимается группа посадки. При большой глубине спуска насоса рекомендуется использовать насосы с меньшей величиной зазора.

Плунжеры насосов изготавливают из стали и покрывают износоустойчивым слоем хрома толщиной до 70 мкм. Плунжер может иметь концентричные или винтовые канавки, насечку. Канавки и насечка предохраняют плунжер от заклинивания песком. Для скважин с большим выносом песка применяют плунжер «пескобрей». Он имеет скошенную внутрь плунжера верхнюю кромку и углубленную в плунжер клетку, соединяю­щую его со штангами. Таким образом, плунжер как бы сбривает механические примеси со стенок цилиндра. Примеси поступают к клетке клапана, где их подхватывает поток откачиваемой жидкости, выносящий механические примеси из зоны контакта плунжер-цилиндр.

Насосы с неметаллической рабочей поверхностью плунжера типа НВ1м и НН2м могут иметь гуммированный плунжер или плунжер с манжетами. Гуммированный плунжер изготавливают вулканизацией или приклеиванием резиновых частей к плунже­ру. На плунжере обычно имеется четыре-шесть гуммированных уплотнений или манжет.

Для отбора из скважин высоковязкой жидкости выпуска­ются стандартные насосы с двумя плунжерами (типа ННД2 и НВ2Д2). При отборе высоковязкой жидкости в обычных схе­мах штанговых насосов трение штанг о жидкость не позволяет штангам достаточно быстро опускаться, головка балансира опу­скается вниз быстрее штанг, что приводит к рассогласованию движения головки балансира станка-качалки и колонны штанг, возникновению значительных ударных нагрузок и снижению работоспособности установок.

Насосы НВ1Д2 предназначены для отбора жидкости с большим содержанием свободного газа. Жидкость в них при движении плунжерной сборки вниз попадает через входной клапан, расположенный в нижнем плунжере, в полость между плунжерами. Это происходит из-за увеличения объема меж­плунжерной зоны и уменьшения в ней давления. При ходе плунжеров вверх объем межплунжерной зоны уменьшается, что приводит к закрытию нижнего клапана, открытию нагнетатель­ного клапана в верхнем плунжере и перемещению жидкости в полость и в НКТ.

Стандартные скважинные штанговые насосы возвратно-поступательного действия предназначены для добычи нефти из скважин при обводненности продукции скважин до 99 %, темпе­ратуре до 403 К (130 °С), содержании механических примесей до 1,3 г/л, содержании H₂S и С0₂ до 200 мг/л, минерализации воды до 200 мг/л и водородном показателе рН 4,0—8,0.

Выбор насоса осуществляется с учетом состава откачивае­мой жидкости (наличие песка, газа и воды), ее свойств, дебита и глубины его спуска. Диаметр НКТ выбирают в зависимости от типа и условного размера насоса.