4.2. Добыча нефти шгн

4.2.1. Общая схема штанговой насосной установки, ее элементы и назначение

Одним из распространенных сегодня способов механизированной добычи нефти является штанговый насосный способ, в основе которого лежит использование скважинной штанговой насосной установки (УСШН) для подъема жидкости из нефтяных скважин.

УСШН (рис.1) состоит из станка-качалки, оборудования устья, колонны НКТ, подвешенных на планшайбе, колонны насосных штанг, штангового глубинного насоса (ШГН) вставного или невставного ти па.

Скважинный насос приводится в действие от станка-качалки. Вра­щательное движение, получаемое от двигателя при помощи редуктора, кривошипно-шатунного механизма и балансира, преобразуется в нем в возвратно-поступательное движение, передаваемое плунжеру скважин-ного насоса, подвешенного на штангах. Это обеспечивает подъем жидкости из скважины на поверхность.

4.2.2. Штанговые скважинные насосы

Принцип работы

Обычные глубинные насосы по принципу действия относятся к плунжер­ным насосам простого действия. Ниже приводится схема процесса откачки глубинным насосом (рис. 2).

Исходная ситуация: насос и насосно-компрессорная труба заполнены жидкостью. Плунжер находится в верхней мертвой точке О.Т.; плунжерный клапан закрыт. Нагрузку столба жидкости над насосом принимают на себя насосные штанги. При прекращении потока жидкости снизу, через всасы­вающий клапан, данный клапан закрывается под действием силы тяжести. Цилиндр полностью или частично заполнен жидкостью. При погружении плунжера в эту жидкость плунжерный клапан открывается и вся нагрузка жидкости падает на всасывающий клапан и, следовательно, на НКТ (рис. 2а).

Справочник мастера по добыче нефти, газа и конденсата

58

траверса и подшипник крестовины траверсы

подшипник шатуна

подшип и ник

канатная

подвеска i „траверса

полированного штока

противовес кривошип

подшипник цапфы

клиноременная передача с защитным кожухом

тормозной приводной _t | рычаг

насосная штанга

—GZ

производство _

ГУ.-т-

головка балансира поворотные балансир

устье -скважины

стойка. с лестницей'

и чг т-^

колонна

.колонна НКТ

.глубинный насос

анкерный ловитель НКТ

пласт

^4

Рис. 1. Схема скважинной штанговой насосной установки

Техника и технология добычи нефти

59

НКТ

плунжер

плунжерный клапан

_i

_Ш

О.Т.

_й

цилиндр

всасывающий клапан

U.Т.

_Q

ход вниз аб

Рис. 2 Схема процесса откачки

ход вверх вг

При дальнейшем ходе плунжера вниз (рис. 2б) верхняя штанга погружается в столб жидкости, вытесняя соответствующий ее объем, который подается в трубопровод.

В случае применения плунжеров, диаметр которых равен диаметру верх­ней штанги или меньше его, подача жидкости в трубопровод производится только во время хода плунжера вниз, в то время как при ходе плунжера вверх вновь набирается столб жидкости. Как только плунжер начинает двигаться вверх, плунжерный клапан закрывается; нагрузка жидкости снова переда­ется на насосные штанги. Если пластовое давление превышает давление в цилиндре, всасывающий клапан открывается в момент отхода плунжера от нижней мертвой точки U.T. (рис. 2в). Поступление жидкости из пласта в освобожденный от давления цилиндр продолжается, пока ход плунжера вверх не закончится в позиции О.Т. (рис. 2г). Одновременно с поднятием столба жидкости над плунжером происходит всасывание равного количества жидкости. На практике, однако, рабочий цикл насоса обычно сложнее, чем указано на этой упрощенной схеме. Работа насоса зависит в значительной мере от размера вредного пространства, отношения «газ – жидкость» и от вязкости откачиваемой среды.

Кроме того, вибрации колонны насосно-компрессорных труб и насосных штанг, возникающие в результате непрерывной перемены нагрузки столба жидкости, и вибрации клапанов также влияют на цикл откачки.

Типы исполнения насосов

Выпускаются следующие типы глубинных насосов:

– трубные;

– вставные.

Изготовляются также специальные модели, предназначенные для при­менения в нестандартных условиях эксплуатации (например: большой дебит, высоковязкая среда, большое содержание песка).

В пределах отдельных рядов типоразмеров возможны многочисленные варианты исполнения и комбинации деталей.

Трубные насосы

Поскольку у трубных насосов цилиндр насоса является неотъемле­мой частью колонны НКТ, он должен быть встроен вместе с насосно-компрессорными трубами. Плунжер и всасывающий клапан могут быть смонтированы на насосных штангах позже (рис. 3). Всасывающий клапан устанавливается в нижней части насоса при помощи соответствующих устройств. Для разборки всасывающий клапан может быть захвачен и извлечен, в результате чего насосно-компрессорные трубы опорожня­ются. Всасывающие клапаны изготовляются также в не извлекаемом исполнении. В таком случае допускается их исполнение в более крупных размерах, что имеет немаловажное значение при высоких дебитах. При применении неподвижно встроенного всасывающего клапана реко­мендуется предусмотреть дополнительный дренажный клапан (сбивной палец). Ввиду того что плунжер имеет точно обработанную поверхность, не рекомендуется его вводить в длинную, необработанную внутри колонну насосно-компрессорных труб. С тех пор как появились надежные съем­ные соединители, на практике чаще всего сначала встраивают плунжер вместе с насосом, а соединение его с насосными штангами производится позже при помощи автосцепа. Плунжер извлекается вместе с цилиндром насоса по колонне НКТ.

Описанный выше принцип действия позволяет применять глубинные насосы, номинальный диаметр которых больше номинального диаметра НКТ. При одинаковом размере НКТ подача трубного насоса всегда будет больше подачи вставного глубинного насоса в результате более круп­ного диаметра цилиндра. Следовательно, трубные насосы применяются преимущественно для более крупных дебитов с небольшой глубины. Ограниченность глубины отбора обусловлена максимальной предельной нагрузкой на колонну НКТ и насосных штанг. Как правило, срок службы трубного насоса больше, чем срок службы вставного насоса, в результате больших размеров изнашивающихся деталей. Помимо ограниченности глубины отбора дополнительный недостаток заключается в том, что при каждой замене насоса необходимо извлекать всю колонну НКТ.

Рис. 3. Схема трубного насоса:

1 – клетка; 2 – грязесъемник; 3 – переходник; 4 – держатель седла;

5 – мембрана; 6 – муфта соединительная; 7 – плунжер; 8 – цилиндр;

9 – корпус клапана; 10 – муфта соединительная; 11 – шарик; 12 – седло;

13 – держатель седла; 14 – удлинитель; 15 – корпус клапана; 16 – шарик;

17 – седло; 18 – муфта соединительная; 19 – наконечник

Вставные насосы

Вставные насосы характеризуются тем, что монтаж комплектного на­соса в колонну НКТ, а также демонтаж его осуществляется вместе с насо­сными штангами; при установке насос находится в замковой опоре (якорном башмаке) колонны насосно-компрессорных труб (рис. 4).

Благодаря разнообразию типов и многочисленным вариантам мате­риалов, используемых для изготовления элементов насоса, вставные на­сосы могут быть оптимально адаптированы к условиям скважины. При оди­наковом размере НКТ у вставных насосов диаметр плунжера, проходное сечение и, следовательно, объем подачи меньше, чем у трубных насосов.

Различные виды исполнения вставных насосов отличаются:

а) по типу крепления (замка) рис. 5:

– насосы с замком в нижней части насоса;

– насосы с замком в верхней части насоса;

Справочник мастера по добыче нефти, газа и конденсата

62

б) по типу рабочего цилиндра и плунжера:

– применяются тонкостенные и толстостенные цилиндры с металличе­скими плунжерами.

2

Рис. 4. Схема вставного насоса:

1 – шток; 2 – плунжер; 3 – цилиндр

Замковые опоры

Якорный башмак

насосы с верхним замком по стандарту API SPEC.11AX

насосы с нижним замком по стандарту API SPEC.11AX

насосы с верхним замком

по ГОСТ P 51896-2002

типа ОМ

Рис. 5. Схемы различных видов расположения замка

для фиксации вставного насоса в НКТ

Таблица 1

Преимущества и недостатки различных видов расположения замка

Преимущества Недостатки

Замок в нижней части насоса	Большая глубина посадки за счет выгодной нагрузки цилиндра (гидростатическое опорное давление снаружи)	Повышенная опасность коррозии в кольцевом пространстве, большая вероятность несрыва с замковой опоры после длительной эксплуатации
Замок в верхней части насоса	Опасность коррозии в кольцевом пространстве «насос - НКТ» невелика - отсутствует зона застоя	Небольшая глубина посадки из-за невыгодной нагрузки цилиндра

Основные узлы ШГН

Цилиндр

Цилиндры глубинных насосов могут быть выполнены в различных кон­струкциях.

Толстостенные цилиндры для всех длин хода изготовляются из холод­нотянутых бесшовных труб различных материалов. Благодаря большой толщине стенок они почти не деформируются, но их внутренний диаметр меньше, чем у тонкостенных цилиндров, что отрицательно сказывается на эффективной площади плунжера.

Тонкостенные цилиндры изготовляются из цельнотянутых труб или сварных труб с продольным швом.

Из-за небольшой устойчивости к деформации длина цилиндров огра­ничена. Кроме того, этот вид исполнения – с тонкой стенкой чувствителен – в отношении высоких перепадов давления. Для повышения износостойкости рекомендуется закалка или твердое хромирование рабочих поверхностей.

Рабочие цилиндры трубных насосов

Для трубных насосов применяются рабочие цилиндры следующих видов исполнения:

– толстостенный прецизионно хонингованный цилиндр (ТН).

Цилиндр интегрирован в колонну НКТ. Внутренняя (рабочая) поверх­ность цилиндра точно хонин гована, потому что для металлического плунжера желательно иметь минимальные допуски.

Рабочие цилиндры вставных насосов

Для вставных насосов применяются:

– толстостенные прецизионно хонингованные цилиндры (RH).

На торцах резьб цилиндр имеет металлическую уплотняющую поверх­ность. Длину хода плунжера можно увеличить при помощи навинчиваемых удлинителей;

– тонкостенные прецизионно хонингованные цилиндры (RW).

В данных цилиндрах работают плунжеры максимального диаметра, чем достигается максимальный дебит. Но малая толщина стенки огра­ничивает глубину посадки насоса. Цилиндр имеет внутренние цилиндри­ческие резьбы.

Плунжер

Плунжеры глубинных насосов металлические, они выполняют уплот­няющую функцию без дополнительных уплотняющих элементов – за счет выбора минимальных зазоров между плунжером и цилиндром.

Плунжеры выпускаются:

– ниппельного типа;

– муфтового типа с гладкой или желобковой поверхностью.

Скопление жидкости в кольцевых пазах желобчатых плунжеров служит для улучшения смазки плунжера. Наличие кольцевых пазов не влияет на уплотняющую функцию. При осаждении в пазах значительных количеств песка или металлических частиц, не уносимых смазывающей откачиваемой нефтью, имеет место повышенный износ или — в аварийных случаях — за­клинивание плунжера.

Зазор между плунжером и рабочим цилиндром выбирается в зависи­мости от свойств откачиваемой среды.

Клапаны

Клапаны глубинных насосов выполнены в виде шариковых клапанов.

В зависимости от откачиваемой среды применяются клапаны из раз­личных комбинаций материалов, различных классов твердости.

Корпуса клапанов

По виду исполнения различают «открытые» и «закрытые» корпуса.

«Открытый» корпус обозначает, что жидкость всасывается в открытый сбоку корпус и затем вытекает через эти же отверстия, в то время как при «закрытом» корпусе жидкость выходит из корпуса не сбоку, а сверху. Корпуса клапанов стандартного исполнения изготовляются цельнометаллическими; для абразивных условий эксплуатации имеются резиновые направляющие шарика или коррозионно-стойкие вставки.

Седла клапанов и шарики:

– седла и шарики из нержавеющей стали SS;

– седла и шарики из кобальтового сплава (стеллит) ST;

– седла и шарики из вольфрамкарбида ТС.

Классификация типов насосов

Трубные глубинные и вставные штанговые глубинные насосы класси­фицированы в соответствии с требованиями ГОСТ Р 51896-2002 и гормо-низированны со стандартом Американского нефтяного института (стандарт API спецификация 11АХ) по конструкции, размерам и исполнению и имеют соответственное условное обозначение. В таблицах 2, 3 приведены примеры обозначения по ГОСТ и АPI.

Таблица 2