Основы разработки нефтяных и газовых месторождений

компрессорные трубы, штанги насосные (ШН), штанговый скважинный насос (ШСН) и различные устройства, улучшающие работу установки в осложненных условиях (газовые и песочные якоря, штанговые скребки, центраторы и др.).

Различают вставные (НСВ) и невставные (НСН) скважинные насосы. Они обеспечивают подачу до 400 м3/сут при глубине подвески до 3500 м. Вставной насос в собранном виде спускается внутрь НКТ на штангах. Насос фиксируется в скважине с помощью замковой опоры, которая предварительно спускается на НКТ. Цилиндр невставного (трубного) насоса присоединяется к колонне НКТ и вместе с ней спускается в скважину. Плунжер НСН вместе с подвешенным к нему всасывающим клапаном спускается и вводится в цилиндр через НКТ на насосных штангах.

Подача штангового насоса зависит от площади поперечного сечения плунжера, длины хода полированного штока, числа качаний головки балансира и других факторов. Теоретически подача насоса за сутки определяется следующим образом:

где Qсут – подача насоса, т/сут; 1440 – число минут в сутках; F – площадь сечения плунжера, мм; Sпл – длина хода плунжера, мм; n – чис-

ло качаний балансира в минуту; ρ – плотность жидкости, т/м3. Фактическая подача насоса всегда меньше теоретической. От-

ношение фактической подачи к теоретической называется коэффициентом подачи насоса, который зависит от количества газа, утечек жидкости через насос, негерметичности подъемных труб, числа качаний и длины хода плунжера, несоответствия длин хода плунжера и сальникового штока. Коэффициент подачи насоса может изменяться в широких пределах – от 1,0 и выше до 0,1 и ниже.

Штанговая глубинная насосная установка (рис. 2.6) состоит из скважинного насоса 2 вставного или невставного типа, насосных штанг 4, насосно-компрессорных труб 3, подвешенных на планшайбе, подвески сальникового штока 8, сальникового уплотнения 6, сальникового штока 7, станка-качалки 9, фундамента 10 и тройника 5. На приеме

71

•1, 2 – наибольшая длина хода точки подвеса штанг 1,2 м;

•700 – допускаемый крутящий момент на редукторе 700 кг·м. ШСН обеспечивают откачку из скважин жидкости, обводненно-

стью до 99 %, с абсолютной вязкостью до 100 мПа·с, содержанием твердых механических примесей до 0,5 %, свободного газа на приеме до 25 %, объемным содержанием сероводорода до 0,1 %, минерализацией воды до 10 г/л и температурой до 130 °С.

Для ускорения и облегчения выбора глубинно-насосного оборудования по заданному дебиту жидкости и глубине подвески насоса в промысловой практике часто пользуются диаграммой А.Н. Адонина [14] (рис. 2.7). На горизонтальной оси диаграммы нанесены

глубины спуска насоса L, м, и на вертикальной оси – дебиты скважин Q, м3/сут.

Отраслевым стандартом впервые в нашей стране (тогда СССР) был предусмотрен выпуск станков-качалок дезаксиального типа 6 размеров. Стандартом предусмотрено два вида исполнения – с установкой редуктора на раме или на тумбе. Таким образом, образуется 12 моделей приводов. Принципиальное отличие дезаксиальных стан-

72

ков-качалок от ранее применявшихся у нас исключительно аксиальных в том, что дезаксиальные станки-качалки обеспечивают разное время хода штанг вверх и вниз, тогда как аксиальные – одинаковое. Поскольку разница в кинематике конструктивно обеспечивается элементарными средствами, т.е. тем или иным расположением редуктора относительно балансира и не требует специальных изменений конструкции, то станки-качалки по рассматриваемому отраслевому стандарту не отличаются от аналогичных по Госстандарту [14, 15, 24].

Рис. 2.7. Диаграмма для выбора глубинно-насосного оборудования

Штанговые (глубинные) насосы по конструкции и способу установки разделяются на две основные группы: невставные (НСН) и вставные (НСВ). В каждой из этих групп насосы изготавливают различных типов, отличающихся конструктивными особенностями, габаритами, устройством плунжера.

73

Невставные НСН (насос скважинный невставной), или трубные насосы отличаются тем, что их основные узлы (цилиндр и плунжер) спускаются в скважину раздельно: цилиндр на насосных трубах, а плунжер в сборе с всасывающим и нагнетательным клапанами – на штангах. Подъем невставного насоса из скважины осуществляется в два приема: сначала извлекают штанги с плунжером и клапанами, а затем трубы с цилиндром. Невставные насосы подразделяются на

Вставные насосы условно обозначают шифром НСВ (насос скважинный вставной), его спускают в скважину в собранном виде внутрь НКТ на штангах. На практике широко применяют насосы типа НСВ-1, предназначенные для эксплуатации скважин при глубине подвески до

74

57 мм и длине хода от 1,2 до 6 м; для НСН соответственно от 32–95 мм и от 0,6 до 4,5 м.

Насосная штанга предназначена для передачи возвратно-посту- пательного движения от станка-качалки к плунжеру насоса. Штанга представляет собой стержень круглого сечения с утолщенными головками на концах. Выпускаются штанги из легированных сталей диаметром (по телу) 16, 19, 22, 25 мм и длиной 8 м для нормальных условий эксплуатации. Для регулирования длины колонн штанг с целью

75

нормальной посадки плунжера в цилиндр насоса имеются также укороченные штанги (футовки) длиной 1; 1,2; 1,5; 2 и 3 м.

Штанги соединяются муфтами. Имеются также трубчатые штанги (наружный диаметр 42 мм, толщина стенки 3,5 мм). Начали выпускать насосные штанги из стеклопластика (АО «Очерский машиностроительный завод»), отличающиеся большей коррозионной стойкостью и позволяющие снизить энергопотребление до 20 %. Применяются непрерывные штанги «Кород» (непрерывные на барабанах, сечение – полуэллипсное).

Особая штанга – устьевой шток, соединяющий колонну штанг с канатной подвеской. Поверхность его полирована (полированный шток). Он изготавливается без головок, а на концах имеет стандартную резьбу.

Устьевое оборудование насосных скважин предназначено для герметизации затрубного пространства, внутренней полости НКТ, отвода продукции скважин и подвешивания колонны НКТ. Устьевое оборудование типа ОУ включает устьевой сальник, тройник, крестовину, запорные краны и обратные клапаны.

Устьевой сальник герметизирует выход устьевого штока с помощью сальниковой головки и обеспечивает отвод продукции через тройник. Тройник ввинчивается в муфту НКТ. Наличие шарового соединения обеспечивает самоустановку головки сальника при несоосности сальникового штока с осью НКТ, исключает односторонний износ уплотнительной набивки и облегчает смену набивки.

Колонна НКТ подвешена на конусе в крестовине. Иногда колонна НКТ расположена эксцентрично относительно оси скважины, что позволяет проводить спуск приборов в затрубное пространство через специальный устьевой патрубок с задвижкой.

2.4. Эксплуатация скважин погружными установками электроцентробежных насосов

На заключительной стадии эксплуатации вместе с нефтью из скважин поступает большое количество пластовой воды, применение штанговых насосов становится малоэффективным. Этих недостатков

76

лишены установки погружных электроцентробежных насосов (УЭЦН) (рис. 2.10).

Погружные насосы – это малогабаритные (по диаметру) центробежные, секционные, многоступенчатые насосы с приводом от электродвигателя. Обеспечивают подачу 10–1300 м3/сут и более напором

450–2000 м вод.ст. (до 3000 м).

Рис. 2.10. Принципиальная схема УЭЦН: 1 – автотрансформатор; 2 – станция управления; 3 – кабельный барабан; 4 – оборудование устья скважины; 5 – колонна НКТ; 6 – бронированный электрический кабель; 7 – зажимы для кабеля; 8 – погружной многоступенчатый центробежный насос; 9 – приемная сетка насоса; 10 – обратный клапан; 11 – сливной клапан; 12 – узел гидрозащиты (протектор); 13 – погружной электродвигатель; 14 – компенсатор

В зависимости от поперечного размера погружного агрегата, УЭЦН делят на три условные группы: 5, 5А и 6 с диаметрами соответственно 93, 103, 114 мм, предназначенные для эксплуатационных колонн соответственно не менее 121,7; 130; 144,3 мм.

77

Пример условного обозначения – УЭЦНМК5-50-1200, где У – установка; Э – привод от погружного электродвигателя; Ц – центробежный; Н – насос; М – модульный; К – коррозионно-стойкого исполнения; 5 – группа насоса; 50 – подача, м3/сут; 1200 – напор водного столба, м.

Электродвигатели в установках применяются асинхронные, 3-фазные с короткозамкнутым ротором вертикального исполнения ПЭД40-103 обозначает: погружной электродвигатель, мощностью 40 кВт, диаметром 103 мм. Двигатель заполняется специальным маловязким, высокой диэлектрической прочности маслом, служащим для охлаждения и смазки.

Для погружных электродвигателей напряжение в зависимости от глубины спуска составляет 380–2300 В, сила номинального тока 24,5–86 А при частоте 50 Гц, частота вращения ротора 3000 мин–1, температура окружающей среды +50…90 °С. Модуль-секция насос – центробежный многоступенчатый, секционный. Число ступеней в насосном агрегате может составлять от 220 до 400.

При откачивании пластовой жидкости, содержащей у сетки входного модуля насоса свыше 25 % (до 55 %) по объему свободного газа, к насосу подсоединяется газосепаратор, который отводит в затрубное пространство часть газа из пластовой жидкости и улучшает работу насоса.

При выборе типоразмера установки погружного электронасоса известными величинами являются: объемный дебит скважины по жидкости; характеристика жидкости по содержанию в ней нефти, воды и газа, по их плотности, вязкости содержанию механических примесей; глубина залегания и температура пласта; пластовое и буферное давление; коэффициент продуктивности; внутренний диаметр обсадной колонны.

Требуемое давление (напор) насоса увеличивается с увеличением глубины, с которой необходимо поднимать жидкость, с увеличением гидравлических сопротивлений в подъемных трубах и противодавления на устье скважины и уменьшается за счет работы газа в подъемных трубах. Давление, создаваемое насосом,

78

где Н – глубина расположения уровня жидкости в скважине при данном отборе, м; ρпл – плотность пластовой нефти на приеме насоса; Pс – гидравлическое сопротивление в трубах; Нг – высота подъема жидкости в трубах за счет работы газа, м; Рб – давление на устье скважины, МПа.

Гидравлическая характеристика погружного электроцентробежного насоса (рис. 2.11) «мягкая», дается заводом-изготовителем при работе насоса на воде плотностью ρ = 1000 кг/м3 (количество ступеней – 100) и представляет собой зависимости: напора Н (Н = f(Q)), коэффициента полезного действия ψ (ψ = f(Q) и мощности N (N = f(Q)) от подачи Q. При закрытой задвижке и подаче Q = 0 насос развивает максимальный напор Hmax (кривая Q – Н). В этом случае КПД равен нулю. Если насос работает без подъема жидкости (Н = 0, ψ = 0), подача его максимальна (Qmax).

Рис. 2.11. Гидравлическая характеристика ПЭЦН

Наиболее целесообразная область работы насоса – зона максимального КПД (заштрихованная область). Значение ψmax достигает 0,5–0,6. Оптимальным считается такой режим эксплуатации насоса, при котором подача Qопт соответствует зоне от Q1 до Q2 (от –0,75 до +0,75 от максимального КПД при напоре от Н1 до Н2.

Под гидродинамической характеристикой скважины понимается совокупная характеристика работы пласта и подъемника, которая

79

выражается графической зависимостью напора (давления) в функции дебита (подачи) (H = f (Q)). Регулирование режима возможно как изменением характеристики насоса (изменение числа оборотов, числа ступеней и др.), так и изменением характеристики «внешней сети» (изменение диаметра НКТ, применение штуцеров и др.).

Погружной насос, электродвигатель, гидрозащита соединяются между собой фланцами и шпильками. Валы насоса двигателя и гидрозащита имеют на концах шлицы и соединяются между собой шлицевыми муфтами.

Гидрозащита предназначена для защиты ПЭД от проникновения в его полость пластовой жидкости и смазки сальника насоса и состоит из протектора и компенсатора.

Кабель с поверхности до погружного агрегата подводят питающий, полиэтиленовый бронированный (эластичная стальная оцинкованная лента) круглый (типа КПБК), а в пределах погружного агрегата – плоский типа (КПБП). В последнее время используется только плоский кабель.

Станция управления обеспечивает включение и отключение установки, самозапуск после появления исчезнувшего напряжения и аварийное отключение (перегрузки, короткое замыкание, колебания давления, отсутствие притока и др.). Трансформаторы регулируют напряжение питания с учетом потерь в кабеле (25–125 В на 1000 м).

Имеется отсекатель манифольдного типа РОМ-1, который перекрывает выкидную линию при повышении или резком снижении давления (вследствие прорыва трубопровода).

2.5. Эксплуатация скважин винтовыми, гидропоршневыми, диафрагменными и струйными насосами

Принципиальная схема установок винтовых электронасосов (УЭВН) аналогична схеме УЭЦН. Основная отличительная особенность состоит в использовании винтового насоса и тихоходного электродвигателя [14, 15]. Они оказались эффективными при работе на вязких жидкостях. Рабочий орган винтового электронасоса – однозаходный червячный винт, вращающийся в обойме. Внутренняя

80