3.1. Скважинные гидропоршневые насосные установки

Способ передачи энергии от первичного наземного двигателя к скважинному насосу, откачивающему пластовую жидкость, оказывает решающее влияние, как на основные показатели установки, так и на ее конструкцию и компоновку. Одним из основных наиболее широко распространенных недостатков штанговых скважинных насосных установок (ШСНУ) является использование для привода скважинного насоса колонны штанг — элемента с относительно низкой прочностью, малой жесткостью, малой износо-и коррозионной стойкостью и со значительным собственным весом. Эти недостатки не позволяют эксплуатировать ШСНУ в глубоких, искривленных скважинах. Гидроприводные насосные агрегаты (ГПНА) лишены этих недостатков, поскольку передача энергии осуществляется потоком жидкости под давлением.

Действие установок гидропоршневых насосов (УГПН), предназначенных для добычи жидкости из нефтяных скважин, основано на преобразовании энергии рабочей жидкости в возвратно-поступательное движение исполнительного механизма. Исполнительный механизм в виде поршневого насоса двойного или дифференциального действия расположен непосредственно в скважине, а силовое оборудование, сообщающее потенциальную и кинетическую энергию рабочей жидкости, — на земной поверхности. Передача гидравлической энергии осуществляется, как правило, по внутреннему каналу труб.

Гидропоршневые насосы обладают всеми достоинствами гидропривода, а также многими преимуществами по сравнению с другими установками для механизированной добычи. Их применение не требует механических энергопередающих связей (штанг, канатов, кабелей и т.п.); позволяет эксплуатировать скважины любой кривизны, регулировать величину отбора жидкости и создавать общий гидропривод для нескольких скважин. Кроме того, при этом можно использовать насос свободно-сбрасываемого типа; транспортировать глубинные приборы совместно с гидропоршневым насосом потоком жидкости; применять химические реагенты для первичной обработки добытой жидкости. Возможно исключение работы по глушению скважины при смене насоса.

Гидропоршневые насосные установки классифицируются:

— по типу принципиальной схемы циркуляции рабочей жидкости — открытая или закрытая;

— по принципу действия скважинного насоса — одинарного, двойного действия или дифференциальный;

— по принципу работы гидродвигателя — дифференциального или двойного действия;

— по способу спуска погружного агрегата — спускаемые на колонне НКТ — фиксированные или свободные — сбрасываемые в скважину.

Для работы в нефтедобывающих скважинах применяют глу­бинные поршневые насосы с поршневым гидравлическим дви­гателем с золотниковым распределением. Рассмотрим конструк­ции скважинного и поверхностного оборудования.

Структурная схема ГПНА показана на рис. 3.1.

Рис. 3.1. Структурная схема ГПНА:

1 — передача энергии с помощью механизмов; 2 — передача энергии жидкостью — по числу ГПНА, обслуживаемых одной наземной установ­кой — индивидуальные или групповые.

3.1.1. Состав оборудования скважинных гидропоршневых насосных установок

В состав скважинного оборудования входят: скважинный на­сосный агрегат, колонны НКТ, различные скважинные устрой­ства — пакеры, якори, центраторы, клапаны-отсекатели и др. Скважинный насосный агрегат включает в себя плунжерный или поршневой насос, плунжерный или поршневой гидравлический двигатель. При этом плунжер насоса соединен штоком с плун­жером гидравлического двигателя. К гидравлическому двигателю с поверхности подается силовыми насосами под давлением ра­бочая жидкость (это может быть подготовленная добытая нефть, отделенная от воды и газа и очищенная от механических приме­сей). Золотник-распределитель или переключатель гидравличес­кого двигателя направляет рабочую жидкость попеременно в штоковую или рабочую полости цилиндра двигателя, располо­женные под и над его поршнем. Поршень двигателя приводится в возвратно-поступательное движение и через шток передает это движение плунжеру насоса. Работа золотника регулируется што­ком, соединяющим поршни глубинного агрегата, или специаль­ной системой управления.

Насос отбирает добываемую жидкость. Отработанная рабо­чая жидкость из двигателя направляется в подъемные трубы, по которым идет жидкость, отбираемая из скважины. На поверх­ность поднимается их смесь.

На поверхности располагаются насос, подающий рабочую жидкость к скважинному агрегату, и система подготовки рабочей жидкости. Часть жидкости, поднятая из скважины, направляется в промысловую систему сбора продукции НГДУ, а часть идет в открытую систему подготовки рабочей жидкости, откуда отде­ленные вода и газ направляются в промысловую сеть, а чистая рабочая жидкость — в поверхностный насос, рис. 3.2. Открытая система циркуляции и подготовки рабочей жидкости имеет от­стойники, сепараторы, устройства для подачи реагентов (напри­мер, для разделения стойких эмульсий) и иногда подогреватели. Поверхностные силовые насосы обычно плунжерные, но могут применяться и высоконапорные центробежные насосы.

Применяется также схема с замкнутой циркуляцией рабочей жидкости. В этом случае в скважине должен быть третий трубо­провод, по которому рабочая жидкость, отработавшая в двигате­ле, поднимается на поверхность, не смешиваясь с добытой жид­костью. Таким образом, подготовка рабочей жидкости резко упрощается. Практически в этом случае в основном надо отде­лить лишь механические примеси (окалина с труб, продукты износа трущихся деталей). Поверхностное оборудование значи­тельно упрощается, но требуется иметь три канала в скважине, что не всегда экономично, а иногда и невозможно.

Рис. 3.2. Схема: гидропоршневой установки.

1 — скважинный насос; 2 — погруж­ной двигатель; 3 — канал для подъе­ма продукции скважины и отрабо­танной рабочем жидкости; 4 — ка­нал для подачи рабочей жидкости к погружному агрегату; 5— поверхно­стный силовой насос; 6 — система подготовки рабочей жидкости.

Целесообразно иметь одну мощную поверхностную систему подготовки жидкости установки на несколько эксплуатируемых скважин (7 — 40 скважин). Скважинные гидропоршневые насосы при этом могут быть нескольких типоразмеров. В этом случае облегчается обслуживание и уменьшается число единиц оборудования. Такие установки называют групповыми, в отли­чие от индивидуальных, имеющих у каждой эксплуатируемой скважины поверхностный насос и систему подготовки рабочей жидкости.

Погружной агрегат, особенно его насосная часть, конструк­тивно схож с штанговым насосом. В отечественных гидропоршневых насосах использовались детали штангового накоса — втулки для цилиндра, плунжер (укороченный) и шаровые клапаны.

При эксплуатации скважин глубинными насосами объемно­го действия его привод — объемный гидродвигатель возвратно-поступательного действия устанавливают в непосредственной близости от скважинного насоса.

Гидродвигатель приводится в действие потоком рабочей жид­кости, закачиваемой силовым насосом, расположенным на по­верхности. Пластовая жидкость поднимается то колонне труб на поверхность, где часть ее используется для закачки силовым насосом обратно в скважину, а часть направляется в промысло­вый коллектор

Конструктивно гидропоршневая насосная установка (ГПНУ) представляет собой: скважинный насос и гидродвигатель, объе­диненные в один агрегат — гидропоршневой погружной насос­ный агрегат (ГПНА), колонны насосно-компрессорных труб, блок подготовки рабочей жидкости и насосный блок.

Назначение этих элементов: насосный блок преобразует ме­ханическую энергию приводного двигателя (электродвигатель или ДВС) в гидравлическую энергию потока рабочей жидкости, гид­ропоршневой погружной насосный агрегат преобразует энергию рабочей жидкости в механическую энергию движения плунже­ров двигателя и насоса, которая затем преобразуется в гидравли­ческую энергию потока откачиваемой пластовой жидкости. Ко­лонны НКТ являются каналами для рабочей и пластовой жид­костей, а блок подготовки жидкости служит для ее очистки от газа, песка и воды перед использованием ее в качестве рабочей в силовом насосе.

По мнению разработчиков и по некоторым данным зарубеж­ного опыта гидропоршневые установки позволяют эксплуати­ровать скважины с глубин до 4500 м, с максимальным дебитом до 1200 м³/сут (при использовании системы тандем), при вы­соком содержании в пластовой жидкости воды (до 98 %), песка (до 2 %) и агрессивных компонентов.

Основные части ГПНУ имеют достаточно высокий КПД, что выгодно отличает установку гидропоршневого насоса от глубин­ных насосов других типов.

Положительная особенность гидропоршневых установок — возможность с поверхности регулировать количество отбирае­мой из скважины жидкости, изменяя количество рабочей жид­кости, закачиваемой к приводу, и меняя, таким образом, режим работы погружного агрегата.

Скважинные гидропоршневые установки хорошо приспособ­лены для эксплуатации наклонно направленных скважин, так как они не имеют движущейся возвратно-поступательно штан­говой колонны (как у штанговых насосов) и кабеля рядом с тру­бами, который повреждается при спуске агрегата (как у устано­вок скважинных насосов с электроприводом).

Применение так называемых сбрасываемых глубинных гидро­поршневых агрегатов (рис. 3.3) позволяет коренным образом изме­нить спуско-подъемные работы при смене убинного агрегата, значительно облегчив их. Сбрасываемый глубинный агрегат спус­кается во внутреннюю полость НКТ, заполненных жидкостью, и проталкивается рабочей жидкостью, закачиваемой с поверхности. В нижней части колонны НКТ установлено седло, в которое агре­гат запрессовывается потоком рабочей жидкости. В скважину можно спустить два ряда НКТ. Можно спустить в скважину один ряд НКТ, в этом случае НКТ герметизируются установленным в сква­жине пакером. Таким образом, образуется канал для подачи рабо­чей жидкости (НКТ) и канал (межтрубное пространство) для подъе­ма на поверхность жидкости, откачиваемой насосом из скважины и смешанной с отработанной жидкостью, выходящей из поршне­вого привода. Для подъема глубинного агрегата на поверхность поток рабочей жидкости направляют в межтрубное пространство, жидкость попадает под сваб глубинного агрегата и выталкивает его до поверхности. Чтобы рабочая жидкость не уходила в по­лость под пакером, в нем имеется обратный шаровой клапан.

Таким образом, спускоподъемные работы осуществляются без подъема труб. В этом случае не нужен подъемник и бригада под­земного ремонта, работа выполняется одним оператором. Время спуска агрегата при установке насоса на глубине 1000 м — около 40 мин, а подъема — 50 — 60 мин.

К недостаткам установок гидропоршневых насосов относит­ся прежде всего наличие сложного поверхностного оборудова­ния, особенно при необходимости подготовки рабочей жидко­сти, обслуживание которого довольно трудоемко. Однако боль­шой КПД установки, облегчение спуска-подъема агрегата, приспособленность к работе в усложненных условиях эксплуа­тации стимулируют его применение.

Современные гидропоршневые насосные установки способ­ны добывать до 400—600 т/сут жидкости. Имеются отдельные, конструкции агрегатов для отбора более 1200 т/сут жидкости. Глубина, с которой отбирается жидкость, доходит до 4500 м, но возможен отбор жидкости и с большей глубины.