3.1.2. Скважинные гидропоршневые двигатели, насосы и золотники

Погружной агрегат состоит из насоса и двигателя с золотни­ковым распределением потока жидкости. Двигатель может быть дифференциальным или двустороннего действия, а насос — диф­ференциальным, одно- или двустороннего действия. Учитывая различное расположение рабочих полостей в двигательной и насосной частях, возможно создание более 900 схем погруж­ных агрегатов гидропоршневых насосов. Число схем, реа­лизованных в серийных или опытных образцах, невелико. В основном это агрегаты с двигателем и насосом двусторонне­го или дифференциального действия. Наиболее простое конст­руктивное решение агрегата возможно при двигателе и насосе дифференциального действия, агрегаты двустороннего действия сложнее, но у них более высокий КПД и более плавный режим работы (скорости движения поршней вверх и вниз близки).

Рассмотрим наиболее простой агрегат дифференциального действия, разработанный в ОКБ БН по схеме, предложенной Л. Г. Чичеровым, В. М. Калининым, и др. конструкторами [1]. Погружной агрегат (рис. 3.4) состоит из поршня и цилиндра двигателя 1, штока 2, соединяющего поршень двигателя с порш­нем насоса, золотника 3, поршня и цилиндра насоса 4. По кана­лу А рабочая жидкость поступает под поршень двигателя в по­лость Б, в которой создается постоянное давление рабочей по лости.

Рис. 3.4. Схема дифференциального погружного агрегата

При положении поршней и золотника, указанном на ри­сунке, полости Б и В (под и над поршнем двигателя) соединены друг с другом. Шток нижним своим концом выходит в полость насоса, где давление равно давлению столба откачиваемой жид­кости. Давление рабочей жидкости больше, чем давление столба откачиваемой жидкости. На поршень двигателя сверху и снизу действует одинаковое давление рабочей жидкости. На поршень насоса сверху и снизу действует давление столба откачиваемой жидкости. На шток сверху действует давление рабочей жидко­сти, а снизу — откачиваемой жидкости. Таким образом, созда­ется сила, действующая на шток сверху вниз и продвигающая всю поршневую группу вниз. Происходит переток отбираемой жидкости из полости Д через нагнетательный клапан в по­лость Г над поршнем насоса. Всасывающий клапан насоса в это время закрыт. При этом часть откачиваемой жидкости в объеме штока, входящего в цилиндр насоса, выталкивается в подъем­ный канал.

В крайнем нижнем положении поршней продольная канав­ка на верхней части штока соединяет полость Б с камерой под золотником Е. Поскольку нижняя головка золотника диамет­ром больше, чем верхняя, а давление над и под золотником одинаково и равно давлению рабочей жидкости, золотник под действием разности сил (произведение давления на площадь) поднимается в верхнее положение и сообщает каналы Б и С. Таким образом, полость Б сообщается с полостью Г, над порш­нем двигателя устанавливается давление столба откачиваемой жидкости. Под поршнем двигателя, в полости Б, остается по­стоянное давление рабочей жидкости. В результате на поршень двигателя начинает действовать сила, обусловленная разностью давлений в полостях Б и В, и поршневая группа начинает дви­жение вверх.

У насоса закрывается нагнетательный и открывается всасы­вающий клапаны. Происходит всасывание жидкости из полости скважины в цилиндр насоса (в полость Д). В крайнем верхнем положении продольная канавка, расположенная в нижней части штока, соединяет полость Е у золотника с полостью Г. Давление под золотником падает до давления столба откачиваемой жид­кости. Над золотником действует высокое давление рабочей жидкости. Под действием перепада давления золотник передви­гается в нижнее положение, показанное на рис. 3.4. После этого рабочий цикл погружного агрегата повторяется.

Конструкция погружного агрегата имеет следующие особен­ности. Поршни двигателя и насоса выполнены из стали с по­крытием их поверхности хромом. Слой хрома толщиной около 0,07 мм отличается высокой твердостью и хорошей износоус­тойчивостью. Напомним, что обычное декоративное покрытие имеет меньшую толщину хрома (около 0,012 — 0,02 мм).

Цилиндры двигателя и насоса составлены из стальных втулок (сталь марки 38ХМЮА) с азотированной внутренней поверхнос­тью. Образующиеся при азотировании карбиды позволяют повы­сить твердость поверхности втулок до 80 по шкале HRA. В ре­зультате в гидропоршневых насосах используется наиболее изно­соустойчивая пара трения. Такие же пары используются в штан­говых насосах при особо тяжелых условиях их эксплуатации.

Уплотнения подвижных деталей в агрегате щелевые. Они рас­положены между золотником и штоком, золотником и корпу­сом золотника, корпусом под золотники и штоком.

Каналы А, Б, С при сбрасываемом погружном агрегате разме­щены в седле, спускаемом на НКТ. Это позволяет увеличить ди­аметры поршней агрегатов. Разобщение каналов осуществляется резиновыми манжетами, размещенными на погружном агрегате.

Клапаны насосной части шаровые (шар и седло). Они те же, что и в штанговых насосах (см. гл. 2 настоящей книги).

Длина хода поршней у погружных агрегатов гидропоршневых насосов достигает 1 м, число ходов в минуту — 30—60.

Погружной агрегат, сбрасываемый в НКТ диаметром 73 мм, имеет внешний диаметр 58 мм и длину около 4 м.

Скважина для гидропоршневых насосных установок обору­дуется двумя колоннами НКТ, спускаемыми концентрично или параллельно, или одной колонной НКТ и пакером, уплотняю­щим пространство между НКТ и обсадной колонной. Таким образом, образуются два канала — один для подъема смеси до­бываемой жидкости и отработанной рабочей жидкости (НКТ или пространство между НКТ и обсадной колонной), другой — для рабочей жидкости (НКТ).

В случае использования замкнутой системы циркуляции ра­бочей жидкости требуется спуск еще одной колонны НКТ.

При трубном варианте погружной агрегат спускается в скважину на НКТ. При сбрасываемом агрегате на НКТ спус­кается седло для установки агрегата и под ним обратный ша­ровой клапан, позволяющий осуществить обратный поток ра­бочей жидкости при подъеме сбрасываемого погружного аг­регата.

Опыт работы в нашей стране с отечественными установками гидропоршневых насосов показал, что сбрасываемые погруж­ные агрегаты могут работать в среднем с межремонтным перио­дом около 9 месяцев (270 сут). Подъем их производился без подъе­ма труб — жидкостью. НКТ и пакеры не поднимались по не­сколько лет. Ожидалось, что подъем добываемой жидкости по обсадной колонне (при установке пакера) может привести к от­ложению парафина на обсадных трубах и осложнениям при подъеме НКТ и пакера. Однако опыт эксплуатации показал не­состоятельность такого опасения. Смешивание добытой и рабо­чей жидкостей при подъеме их по обсадной колонне приводило к снижению относительного содержания газа, а также смол и парафинов в смеси и к незначительному отложению их на об­садных трубах. Такие результаты были получены на месторожде­ниях Башкирии, Татарии и Самарской области. Необходимо учи­тывать, что большее, чем в этих районах, содержание в добыва­емой жидкости смол и парафинов может привести к худшим результатам. Поэтому в каждом частном случае необходимы анализ условий эксплуатации и обоснованный выбор схем обо­рудования скважин.

Наземное оборудование состоит из оборудования устья, си­лового насосного агрегата, оборудования для подготовки рабо­чей жидкости, регулирующей и регистрирующей аппаратуры.

Оборудование устья имеет детали для подвески НКТ на ко­лонной головке, многоходовой кран для направления рабочей и отбираемой жидкостей в соответствующие каналы при спуске, работе и подъеме погружного агрегата, пружинного ловителя, свободно сбрасываемого агрегата и мачты с талевой системой с ручным приводом для извлечения агрегата из скважины или спус­ка его в скважину.

Силовой насосный агрегат состоит из насоса и его привода. Наиболее часто применяется трехплунжерный насос. В нашей стране применяется насос с горизонтальным расположением цилиндров, в США некоторые фирмы используют насосы с вертикальным расположением цилиндров. Увеличенная скорость ходов плунжеров (около 400 в минуту) позволяет уменьшить га­бариты насосов.

Насосы развивают давление от 16 до 30 МПа. Подача насосов достигает десятков литров в секунду. Параметры насосов зави­сят от характеристики двигателя погружного агрегата и от того, является ли насос приводом индивидуальной установки (пред­назначенной для одной скважины) или групповой установки (для нескольких скважин). Насосы подают к скважине жидкость, обычно нефть, очищенную от механических примесей и отде­ленную от воды и газа. Есть примеры использования в качестве рабочей жидкости воды с присадками, обеспечивающими смаз­ку трущихся частей оборудования.

Приводом насоса чаще всего служит электродвигатель. В не­которых случаях выгодно применять газомотор, работающий на нефтяном газе. Это экономично, поскольку применяется деше­вое топливо и, с другой стороны, газомотор позволяет легко из­менять частоту вращения приводного вала силового насоса и регулировать таким образом его подачу.

Оборудование для подготовки рабочей жидкости (при незам­кнутой ее циркуляции) имеет сепараторы для отделения газа, воды и механических примесей, отстойники, дозировочные насосы, подогреватели. Обычно применяются сепараторы объем­ного типа, вертикальные или горизонтальные, с подогревом по­ступающей смеси для лучшей деэмульсации и снижения вязко­сти смеси. После объемных сепараторов устанавливают батарею циклонных сепараторов для более тщательной очистки рабочей жидкости от газа и механических примесей. В некоторых уста­новках применяют отстойники большой емкости.

Для улучшения деэмульсации смеси рабочей и добытой жидко­стей и отделения воды в смесь иногда подают реагенты-деэмульгаторы. Деэмульгаторы подаются в небольших объемах (десятки граммов на 1 м³ жидкости) дозировочными насосами с малыми подачами. Это обычно одноплунжерные насосы, имеющие регули­руемую подачу. В качестве деэмульгаторов можно использовать неионогенный деэмульгатор дисолван и ПАВы различных марок.

В установках гидропоршневых насосов имеется возможность подачи деэмульгатора не только в поверхностную систему, но и в подготовленную рабочую жидкость, направляемую в скважи­ну. В этом случае действие деэмульгатора проявляется уже при выходе жидкости из погружного двигателя в НКТ. Предупреж­дается образование стойких высоковязких эмульсий, снижается гидравлическое сопротивление движению смеси в трубах, об­легчается отделение воды в системе подготовки рабочей жидко­сти и при подготовке товарной нефти.

Деэмульсация при подготовке рабочей жидкости и отделение воды облегчаются при подогреве жидкости. Подогреватели мо­гут быть с теплоносителем в виде пара или горячей воды или электрическими в виде специальных лент, в изоляции которых уложены электропроводящие жилы с большим сопротивлением (из константана, нихрома и т.д.). Подогрев осуществляется в отстойниках или сепараторах, или в линиях, подводящих смесь от скважины к этим устройствам.

Система подготовки рабочей жидкости может включать все перечисленные части, а может быть и значительно упрощена в зависимости от конкретной характеристики добываемой жидко­сти и климатических условий.

Опыт эксплуатации гидропоршневых насосов в нашей стране показал, что для нормальной работы погружного агрегата доста­точно снизить содержание воды в рабочей жидкости до 5 % и механических примесей до 0,5—0,3 г/л.

Контроль за режимом работы установки гидропоршневого насоса, поддержание этого режима или изменение его осуще­ствляются аппаратурой, включающей расходомер, манометр, стабилизатор режима, регулирующие вентили.

В агрегатах одностороннего действия (рис. 3.5, а) шток с дву­мя поршнями совершает возвратно-поступательное движение в результате попеременной подачи жидкости из напорного трубо­провода то в полость 3, то 4. Жидкость подается золотниковым устройством. В результате в насосе одинарного действия при ходе поршня вверх пластовая жидкость попадает через всасываю­щий клапан 1 в полость 6, а при ходе поршня вниз вытесняется через нагнетательный клапан 2 в напорный трубопровод. Кла­паны 1 и 2 самодействующие, обычно шарикового типа [2, 3].

Рис. 3.5. Схемы скважинных агрегатов одностороннего, двустороннего и дифференциального действия (слева-направо).

Полость 5 соединена с затрубным пространством с помощью отверстия, и при перемещении поршня вверх и вниз жидкость может свободно циркулировать.

В агрегатах двустороннего действия при перемещении порш­ня насоса вверх пластовая жидкость попадает через клапан 1 в полость и вытесняется из полости 5 через клапан 2.

При ходе поршня вниз пластовая жидкость вытесняется из полости 6 через клапан 2 и поступает в полость 5 через клапан 1.

Таким образом, при каждом ходе поршня жидкость подается в напорный трубопровод.

В агрегатах с насосом дифференциального действия поршень насоса выполнен сквозным с расположенным в нем нагнета­тельным клапаном 2. При ходе поршня вниз всасывающий кла­пан 1 закрыт, из полостей 5 и 6 в напорный трубопровод вытес­няется объем жидкости, равный объему штока, находящегося в полостях, при ходе поршня вверх нагнетательный клапан 2 зак­рыт, а всасывающий 1 открыт. В результате пластовая жидкость вытесняется из полости 5 в напорный трубопровод и поступает в полость 6 [2, 3].

В нижней части труб устанавливается специальное седло, а на устье — ловитель и специальная обвязка, позволяющая из­менять направления потоков в колоннах насосно-компрессор-ных труб.

Для спуска агрегата колонны труб заполняются жидкостью, после чего спускается агрегат, который под действием потока жидкости, подаваемой силовым насосом, опускается, устанав­ливается на седле и фиксируется замком. После его установки поток жидкости начинает проходить через агрегат, и последний откачивает пластовую жидкость. Время спуска агрегата на сед­ло, момент его установки и начало работы контролируются по показаниям манометра, установленного на нагнетательном пат­рубке силового насоса.

Для подъема агрегата направление потоков жидкости в ко­лоннах труб изменяется на противоположное посредством пере­ключения четырехходового крана. При этом давление жидко­сти, действующее на агрегат снизу, создает усилие, направлен­ное вверх, которое извлекает агрегат из замка и перемещает его вверх к устью скважины.

Агрегат после достижения им устья захватывается специаль­ным ловителем. При этом силовой насос, подающий рабочую жидкость, автоматически отключается, и операция заканчивает­ся. Момент выпрессовки агрегата из замка и время подъема его на поверхность контролируются манометром.

Помимо перечисленных отличительных признаков установ­ки отличаются конструктивным исполнением и взаимным расположением каналов для подвода и отвода жидкости от ГПНА. В качестве каналов могут использоваться специальные колонны НКТ либо внутренняя полость эксплуатационной колонны, а относительно друг друга колонны могут располагаться концентрично или же параллельно. В зависимости от типа гидравличес­кой схемы установки и типа применяемого ГПНА конструкции нижней части внутрискважинного оборудования могут быть раз­личными.

При использовании открытой гидравлической схемы приме­няют следующие варианты конструкций (рис. 3.6).

Рис. 3.6. Оборудования скважин ГПНУ с открытой схемой циркуляции рабочей жидкости

Фиксированный ГПНА с двумя концентрично расположен­ными колоннами труб (рис. 3.6, а). В этом случае ГПНА 4 спускается на центральной колонне труб 1 а его нижняя часть с уплотнением устанавливается на опорном конусе 5, который укреплен на колонне НКТ 2 большого диаметра. Рабочая жидкость подводится к гидродвигателю по центральной колонне НКТ 1, а пластовая жидкость в смеси с рабочей отводится по концент­ричному каналу, образованному колоннами НКТ 1 и 2.

Фиксированный ГПНА (рис. 3.6, б) с одной колонной НКТ. ГПНА опускается на колонне НКТ 1 и устанавливается ниж­ней частью на пакере 6, расположенном в эксплуатационной колонне 3.

Как и в предыдущей схеме, рабочая жидкость подводится по центральной НКТ 1, а поднимается по кольцевому каналу меж­ду НКТ 1 и эксплуатационной колонной 3.

Свободный ГПНА с двумя параллельными колоннами НКТ (рис. 3.6, в). Агрегат Испускается в скважину по НКТ большого диаметра 1, по которой к нему подводится рабочая жидкость и в нижней части которой установлены седло с замком и обратный клапан 10.

Параллельная колонна труб 2 служит для подъема смеси пла­стовой и рабочей жидкостей.

Свободный ГПНА с одной колонной НКТ (рис. 3.6, г). Агре­гат 8 располагается в колонне НКТ 1, в нижней части 9 которой установлены седло с замком и обратный клапан 10. Хвостовик колонны фиксируется в отверстии пакера 7, установленного в жсплуатационной колонне 3. Потоки жидкостей аналогичны потокам схемы (рис. 3.6, б).

При подъеме свободного агрегата в схеме поток жидкости в канале, служащем для подъема пластовой жидкости, изменяет­ся на противоположный, обратный клапан 10 закрывается, и агрегат перемещается вверх. Мощность привода которых в боль­шинстве случаев составляет от 14 до 300 кВт. Для подбора аг­регата, соответствующего требуемому режиму эксплуатации скважины, выпускаются насосы многих типоразмеров, причем каждый из них имеет наборы плунжеров с уплотнениями раз­личных диаметров (от 30 до 95 мм), позволяющими ступенча­то изменять подачу насосов (от 130 до 1700 л/мин) и обеспечивать максимальное давление до 35,0 МПа. Число ходов плунжеров составляет 300—450 в минуту. Для уменьше­ния числа оборотов вала насоса применяются понижающие ре­дукторы.

Наибольшее число типоразмеров оборудования, в том числе более 70 типоразмеров гидропоршневых насосов, представляет фирма Kobe. В табл. 3.1 приведены характеристики некоторых гидропоршневых насосных агрегатов этой фирмы.

Таблица 3.1