1. Аналіз стану та перспективи розвитку систем контролю параметрів штангових глибинно-насосних установок

1.1 Аналіз роботи штангової глибинно-насосної установки, як об’єкта контролю

Штангова глибинно-насосна установка (ШГНУ) складається з наземного і підземного обладнання (рисунок 1.1).

Рисунок 1.1 - Схема ШГНУ

1-експлуатаційна колона; 2-всмоктуючий клапан; 3-циліндр насоса; 4-плунжер; 5-нагнітаючий клапан; 6-насосно-компресорні труби; 7-насосні штанги; 8-хрестовина; 9-гирловий патрубок; 10.зворотній клапан для перепуску газу; 11-тройник; 12-устєвий сальник; 13-устєвий шток; 14-канатна підвіска; 15-головка балансира; 16-балансир; 17- стійка; 18-балансивний вантаж; 19-шатун;20-кривошипний вантаж; 21-кривошип; 22 - редуктор; 23-введений шків; 24- клинопасова передача; 25-електродвигун на поворотній салазці; 26-ведучий шків; 27-рама; 28-блок управління.

До підземного обладнання відноситься: штанговий свердловинний насос, насосні штанги і труби. До наземного обладнання входить верстат-качалка, який складається з електродвигуна, кривошипа, шатуна, балансира.

Штангові глибинні насоси по конструкції і способу встановлення розділяються на дві основні групи: невставні і вставні. У кожній з цих груп насоси виготовляють різних типів, що відрізняються конструктивними особливостями, габаритами, пристроєм плунжера.

Невставні насоси характерні тим, що їхні основні вузли (циліндр і плунжер) спускаються в свердловину роздільно: циліндр — на насосних трубах, а плунжер у зборі з всмоктувальним і нагнітальним клапанами — на штангах. Підйом невставного насоса зі свердловин також здійснюється в два прийоми: спочатку витягають штанги з плунжером і клапанами, а потім труби з циліндром.

Вставний насос спускають у свердловину в зібраному вигляді (циліндр разом із плунжером) на насосних штангах і витягають його на поверхню також у зібраному вигляді шляхом підйому цих штанг. Насос встановлюють і закріплюють за допомогою спеціального замкового пристосування, що спускається заздалегідь у свердловину на трубах. У результаті цього для зміни вставного насоса (при необхідності заміни окремих вузлів чи насоса в цілому) досить підняти на поверхню тільки насосні штанги, насосні ж труби залишаються постійно в свердловині; їх витягають лише при необхідності виправлення замкового пристосування, що на практиці буває рідко. Таким чином, зміна вставного насоса вимагає значно менше часу, ніж невставного, крім того, при використанні такого насоса менше зношуються насосні труби, тому що немає необхідності їх спускати і піднімати, а також відгвинчувати і загвинчувати при кожній зміні насоса.

Ці переваги вставного насоса мають особливе значення при експлуатації глибоких свердловин, у яких спуско-підйомні операції при підземному ремонті займають багато часу.

Невставні насоси підрозділяються на два типи:

1. Насоси двохклапанні НСН1 (насос свердловинний невставний першого типу).

2. Насоси трьохклапанні НСН2.

Насос НСН1 (Рисунок 1.2) - невставний однобічної дії із захватним штоком, з верхнім нагнітальним і всмоктувальним кульковими клапанами і циліндром, зібраним зі сталевих чи чавунних втулок, призначений для експлуатації нафтових свердловин при глибині його підвіски 1200 м.

Складається він із двох основних вузлів: циліндра і плунжера. Кожух циліндра має внутрішнє різьблення на кінцях, сталеві чи чавунні втулки циліндра стягнуті по кінцях перевідником. Верхній перевідник приєднаний до колони насосних труб, на яких циліндр спускається в свердловину.

Вузол циліндра виготовляють у двох виконаннях: з патрубком-подовжувачем і без нього. У першому виконанні до ніпеля (чи до нижнього перевідника) приєднаний патрубок-подовжувач із сідлом конуса на кінці, а в другому - безпосередньо сідло конуса (через перевідник циліндра).

До верхнього кінця плунжера приєднаний вузол нагнітального клапана, що складається з клітки, кульки, сідла і ніпеля. Клітка клапана приєднана до насосних штанг, на яких плунжер спускається в свердловину і при необхідності зі штангами витягається з неї. Через внутрішню порожнину наконечника, приєднаного до нижнього кінця плунжера, проходить захватний шток, голівка якого увесь час знаходиться всередині плунжера. Вузол всмоктувального клапана на нижньому кінці загарбного штока складається з клітки, кульки, сідла і наконечника-конуса. При спуску плунжера в циліндр насоса цей вузол встановлюється в сідло конуса.

Рисунок 1.2 - Невставні свердловинні та інші насоси типу НСН1 та НСН2:

1 – всмоктувальний клапан; 2 – циліндр; 3 – нагнітальний клапан; 4 – плунжер; 5 – загарбний шток; 6 – піймач.

Циліндр звичайного насоса типу НСН1 має 7 втулок довжиною 300 мм. кожна. Для експлуатації малодебітних свердловин із глибиною підвіски насоса до 400 м при довжині ходу до 0,6 м розроблені двовтулкові насоси розмірами 28 і 32 мм. Циліндр у такому насосі завжди перекритий плунжером довжиною 1200 мм.

При нормальній роботі двоклапанного насоса плунжер перемішується в циліндрі, не маючи зв'язок із загарбним штоком, а вузол всмоктувального клапана залишається нерухомим. При витягуванні з циліндра плунжер зачіпається за головку загарбного штока і піднімає за собою вузол всмоктувального клапана, відкриваючи нижній кінець циліндра насоса. У результаті цього рідина, що заповнює піднімальні труби, може перетікати через насос у свердловину. У такому випадку при підйомі насосних труб і насоса нафта не розливається на устя свердловини. Крім того, при осадженні піску над насосом його можна періодично промивати. Якщо ж виникає необхідність у перевірці, або заміні вузла всмоктувального клапана, то завдяки захватному штоку достатньо підняти на поверхню тільки плунжер.

Значний недолік двоклапанного насоса - занадто великий об'єм шкідливого простору (об'єми внутрішньої порожнини плунжера і патрубка-подовжувача). Цей об’єм можна зменшити шляхом встановлення штоку, досить підняти на поверхню тільки плунжер. Істотний недолік двоклапанного додаткового нагнітального клапана на нижньому кінці плунжера, що і здійснено в триклапанних трубних насосах. Триклапанний насос НСН-2 (рисунок 1.2) призначений для експлуатації свердловин при глибині підвіски насоса до 1500 м.

Цей насос відрізняється від насоса НСН1 в основному конструкцією ловильного пристосування, а також довжиною циліндра. У залежності від довжини ходу плунжера циліндр має довжину від 3440 до 6955 мм. Другий нагнітальний клапан, розташований у нижній частині плунжера, не дозволяє застосовувати захватний шток. Тому під плунжером монтується спеціальний захоплювач (байонетного чи шарнірного типу), у нижній частині корпуса якого маються фігурні пази для лову вузла всмоктувального клапана. Пази в захоплювачі байонетного типу захищені сорочкою, привареною до корпуса захоплювача, а в захоплювачі шарнірного типу пази виготовляються заодно з захоплювачем.

Для лову вузла усмоктувального клапана захоплювачем байонетного типу в клітку клапана вгвинчений стрижень штока захоплювача з пальцем. Щоб підняти всмоктувальний клапан, спускають плунжер нижче нормального положення до упора в наконечник штока 10 і потім повертають у бік загвинчування штанг. При цьому шпилька наконечника входить у прорізі на захоплювачі і захоплюється їм. Встановлення всмоктувального клапана на своє місце також виконується за допомогою захоплювача.

Завдяки застосуванню другого нагнітального клапана об'єм шкідливого простору в триклапанному насосі зменшується майже в два рази в порівнянні з цим об'ємом у двохклапанному насосі. Тому триклапанні насоси рекомендуються для відкачування рідини з підвищеним вмістом вільного газу.

Вставні насоси умовно позначають шифром НСВ (насос свердловиний вставний). На практиці широко застосовують насоси типу НСВ1 (рисунок 1.3), призначені для експлуатації свердловин при глибині підвіски до 2500 м.

Вставний насос складається з трьох основних вузлів: циліндра, плунжера і замкової опори циліндра.

Рисунок 1.3-Вставні свердловинні та інші насоси типу НСВ1 та НСВ2:

1 – впускаючий клапан; 2 – циліндр; 3 – нагнітаючийй клапан; 4 – плунжер; 5 – штанга; 6 – замок.

Циліндр насоса 2 на нижньому кінці має закріплений наглухо всмоктувальний клапан, а на верхньому кінці — конус, що служить опорою насоса. Поверх опорного конуса на циліндрі монтується направляючий ніпель штока плунжера.

Плунжер 4 підвішується до колони штанг за допомогою штока, кінець якого виступає з насоса і має відповідне різьблення для з'єднання зі штангами. 3 метою зменшення обсягу шкідливого простору нагнітальний клапан установлений на нижньому кінці плунжера. Насос у свердловині встановлюється на замковій опорі 6, попередньо спущеної на насосних трубах, на нижньому кінці яких змонтована направляюча труба.

Насоси НСВ1 діаметрами 28, 32, 38 і 43 мм. сконструйовані таким чином, що їх можна встановлювати на тих самих опорах і спускати в насосні труби однакового діаметра. Наприклад, насос діаметром 32 мм можна посадити в замкову опору насоса діаметром 28 мм і, навпаки, насос діаметром 28 мм - у замкову опору насоса діаметром 32 мм.

Насоси типів НСН1, НСН2 і НСВ1 не забезпечують нормальну експлуатацію всіх категорій свердловин, а саме, свердловин із сильними піскопроявленнями, з форсованою відкачкою рідини, із глибиною підвіски 3000-3500 м, з в’язкопластичною рідиною.

Тому для ефективної експлуатації зазначених категорій свердловин створені нові типи насосів. Насоси НСН2Т під трубчасті штанги розміром 43 і 55 мм призначені для експлуатації нафтових свердловин при глибині підвіски насоса до 1200 м, при об'ємному вмісті піску в відкачуваній рідині більше 0,2%.

Насоси невставні НСН 2В и вставні НСВ 1В призначені для експлуатації свердловин з високою обводненістю продукції і з піскопроявленнями. У цих насосах на кінцях плунжера установлені вузли верхнього і нижнього захистів з еластичними комірами, що запобігають потраплянню піску в зазор між плунжером і циліндром і центрують плунжер у циліндрі. Всередині плунжера встановлений сепаратор для відділення нафти з відкачуваної рідини і змащення нею тертьових поверхонь плунжера і циліндра. Технічна характеристика цих насосів така ж, як у насосів НСН2 і НСВ1.

Насоси НСВ2 призначені для експлуатації свердловин із глибиною підвіски насоса від 2500 до 3500 м. Ці насоси на відміну від насосів типу НСВ1 мають замкову опору в нижній частині, що дозволяє розвантажити кожух від розтяжних зусиль при ході плунжера вниз.

Зворотно-поступальний рух плунжера насоса і колони насосних штанг здійснюється в більшості випадків за допомогою спеціального механізму - станка-качалки балансивного типу, установленого біля устя свердловини. У цих станків-качалок колона штанг підвішується до балансира, що приводиться в рух кривошипно-шатунним механізмом від двигуна, установленого на рамі верстата.

Для з'ясування характерних рис роботи балансивного станка-качалки розглянемо його спрощену схему (рисунок 1.4). Балансивний кривошипно-шатунний механізм станка-качалки складається з чотирьох ланок. Нерухома ланка механізму - це лінія 001, з'єднуюча вісь балансира з віссю кривошипа; рухливі ланки - кривошип ОА, шатун АВ і балансир ВР.

При обертанні кривошипа точка Л описує коло радіусом r, а точка В з’єднання верхнього кінця шатуна з балансиром, який переміщується по дузі радіусом b, роблячи коливальний рух щодо осі OO1. Відповідно точка С (точка підвісу штанг) переміщується по дузі радіусом а. Швидкість і прискорення цієї точки змінюються у залежності, що приблизно може бути визначена як синусоїдальна. У моменти, коли кривошип проходить горизонтальне положення, точка зчленування шатуна з балансиром, а отже, і протилежна точка балансира (точка підвісу штанг) мають максимальну швидкість. Найбільше прискорення ці точки балансира мають у моменти, коли обертовий кривошип займає вертикальне положення. В міру ж наближення кривошипа до горизонтального положення, прискорення розглянутих точок балансира поступово знижується і стає рівним нулю.

Рисунок 1.4-Кінематична схема станка качалки

Абсолютне значення прискорень ланок механізму станка-качалки визначається частотою обертання кривошипного вала і зростає в міру збільшення числа коливань балансира.

У залежності від значення прискорення і його напрямку на механізм станка-качалки діють додаткові інерційні навантаження, що ускладнюють його роботу. Характер зміни прискорення й інерційних навантажень залежить від напрямку обертання кривошипного вала. Більш сприятливі умови роботи механізму створюються при обертанні кривошипного вала по годинниковій стрілці (свердловина розташована ліворуч від станка-качалки).

В даний час до 65% усіх глибинно-насосних свердловин на вітчизняних нафтових промислах обладнані станками-качалками типу СКЯ (СКН2-615, СКНЗ-1515, ОКН5-3015, СКН10-33.16), що розрізняються між собою вантажопідйомністю і довжиною ходу.

Верстат-качалка здійснює штангами зворотно-поступальний рух, близький до синусоїдального. ВК має гнучку канатну підвіску для з’єднання з верхнім кінцем полірованого штока із поворотною головкою балансира для без ускладненого проходу спуско-підйомних механізмів (талевого блока, крюка, елеватора) при підземному ремонті.

Балансир качається на поперечній осі, закріпленій в підшипниках, з’єднується з двома масивними кривошипами з допомогою двох шатунів, розміщених по обидві сторони редуктора. Кривошипи з рухомими противагами можуть переміщатися відносно осі обертання головного вала редуктора на ту або іншу відстань вздовж кривошипів. Противаги необхідні для врівноваження ВК.

Редуктор с постійним передавальним числом, масло заповнений, герметичний має трансмісійний вал, на одному кінці якого передбачений трансмісійний шків, з’єднаний клинопасовою передачею з малим шківом електродвигуна. На другому кінці трансмісійного валу є гальмівний барабан. Опорний підшипник балансира закріплений на металевій стійці-піраміді.

Всі елементи станка-качалки (піраміда, редуктор, електродвигун кріпляться до єдиної рами, яка закріплюється на бетонному фундаменті. Крім того , всі ВК мають гальмівний пристрій , який необхідний для утримання балансира і кривошипів в любому заданому положенні. Точка з’єднання шатуна з кривошипом може міняти свою відстань відносно центра обертання перестановкою пальця кривошипа в той або іншій отвір, яких для цього передбачено декілька. Цим досягається ступенева зміна амплітуди, коливань балансира (довжини хода штанг). Так як редуктор має постійне передавальне число, то зміна частоти коливань досягається тільки зміною передавального числа клинопасової трансмісії і зміною шківа на валу електродвигуна на більший або менший діаметр.

Промислово випускається велика кількість ВК різних типів і розмірів грузопіднімання на головці балансира від 10 до 200 кН, в відповідності з широким діапазоном глибин і дебітів свердловин, які приходиться обладнувати штанговими установками (ШГН).

Штанговий свердловинний насос складається з довгого (2-4 м) циліндра. На нижньому кінці циліндра закріплений нерухомий всмоктуючий клапан, що відкривається при ході вверх. Циліндр підвішується на трубах. В ньому знаходиться поршень - плунжер, зроблений у вигляді довгої (1 - 1.5 м) гладко обробленої труби, яка має нагнітальний клапан, який також відкривається вверх. Плунжер підвішується на штангах. При рухові плунжера вверх рідина через всмоктуючий клапан під впливом тиску на вході насоса заповнюється внутрішній простір циліндра. При рухові плунжера вниз всмоктуючий клапан закривається, рідина під плунжером стискується відкривається нагнітаючий клапан. Таким чином, плунжер з відкритим клапаном занурюється в рідину. При наступному русі вверх нагнітаючий клапан під тиском рідини закривається. Плунжер перетворюється в поршень і піднімає рідину на висоту, яка дорівнює довжині хода (0,6 - 6 м). Накопичена під плунжером рідина досягає гирла свердловини і через трійник потрапляє в нафтозбірну мережу. Застосування вставних насосів дозволяє значно знизити витрати на спуско - підйомні операції, так як насос спускається на штангах. Одним із факторів, який негативно впливає на надійність насоса, є наявність піску в рідині, яку відкачують.