1458

Мощность, потребляемая электронасосным агрегатом,

д

где Н — развиваемый напор; у — плотность перекачиваемой среды; лн Лр Л, — КПД соответственно плунжерного насоса, ре­ дуктора и электродвигателя.

Но, к сожалению, конструкции представленного типа насоса (ЭДН5) была не лишена ряда недостатков, в частности — схема одностороннего действия без рекуператора мощности с боль­ шим числом ходов диафрагмы. К тому же добычные возможно­ сти представленных насосов ограничены мощностью механи­ ческого редуктора, в связи с чем при увеличении дебита насоса необходимо соответственно уменьшать развиваемый насосом напор. Поэтому были продолжены работы по созданию новых конструкций.

Конструкции бесштанговых объемных насосов, разработан­ ные в ОКБ БН совместно с ГАНГ им. И. М. Губкина, лишены указанных недостатков [40]. Предложенные насосы являются на­ сосами двойного действия с приводом от погружного электро­ двигателя, гидравлической трансмиссией и с блоком раздели­ тельных диафрагм. Схемы этих насосов представлены на рис. 1.197, б. Устройство гидравлической трансмиссии с преобразо­ вателем вращательного движения вала электродвигателя в воз­ вратно-поступательное движение рабочего органа одинаково на всех схемах, представленных на рис. 1.197, б. В них вал погруж­ ного электродвигателя /, соединенного с корпусом объемного бесштангового насоса вращает вал силового насоса 2. Рабочая жидкость под давлением по каналу 3 проходит через силовой гидроуправляемый золотниковый распределитель 4 и попадает в камеру рабочего органа 5, вызывая его перемещение. Одновре­ менно в движение приходит и жестко связанный с рабочим ор­ ганом 5 золотник пилотного распределителя 6. При достижении золотником пилотного распределителя 6 крайнего положения, проиходит переключение каналов подвода рабочей жидкости к гидроуправляемому силовому золотниковому распределителю 4 и его золотник перемещается в другое крайнее положение. Про­ исходит реверсирование движения потока жидкости в камере

Рис. 1.197. Схемы объемных бесштанговых насосов двойного действия

сроторным двигателем, гидравлической трансмиссией

идвумя разделительными диафрагмами

рабочего органа 5 и изменение направления его движения. Для защиты силового насоса 2 от перегрузки в гидравлической ли­ нии установлен предохранительный клапан 7.

Наиболее простой является схема, изображенная на рис. 1.197, а [41]. В ней золотник пилотного распределителя 6 непосредственно связан с одной из диафрагм 5. Эта схема имеет минимальное число пар трения и, соответственно, щелей, по которым проис­ ходят утечки рабочей жидкости. Однако, для того, чтобы пре­ одолеть силы трения в пилотном золотнике, а также для преодо­ ления давления рабочей жидкости на нижней торец золотника пилотного распределителя 6, диафрагма 5 армирована пружи­

ной 8. Усилие, развиваемое пружиной 8 в конце хода вниз, дол­ жно быть больше суммарного усилия от сил трения и сил давле­ ния на нижний торец золотника пилотного распределителя 6. Свободная диафрагма 9 также армирована пружиной 10, что улуч­ шает условия всасывания силового насоса 2 и уменьшает необ­ ходимую высоту подпора для всего диафрагменного насоса. Ди­ афрагменный насос имеет также два всасывающих клапана 11 и 12 и два нагнетательных клапана 13 и 14.

Из-за наличия пружин 8 и 10 на диафрагмы 5 и 9 в процессе работы действует перепад давления. При глубинах спуска сква­ жинного насоса свыше 1000 м, этот перепад может достигать значительной величины и в диафрагмах 5 и 9 возникнут высо­ кие дополнительные напряжения, что приведет к значительно­ му сокращению их срока службы.

Схема, представленная на рис. 1.197, б [42] лишена указанно­ го недостатка, для чего в схему введен в качестве рабочего орга­ на поршень 5, вставленный в рабочую камеру 8. Движение пор­ шня 5 вверх осуществляется под действием давления, развивае­ мого силовым насосом 2, а движение поршня 5 вниз — под дей­ ствием возвратной пружины. Диафрагма 11 соединена с надпоршневой зоной рабочей камеры 8, а диафрагма 10 попеременно через силовой золотниковый распределитель 4 то с зоной вса­ сывания, то с зоной нагнетания силового насоса 2. Во время работы насоса этой конструкции перепада давления на диаф­ рагмах 10 и 11 не создается. Диафрагменный насос также имеет два всасывающих клапана 12, 13 и два нагнетательных 14 и 15. К недостаткам данной схемы можно отнести отсутствие жест­ кой связи между деформацией диафрагмы 10 и положением пор­ шня 4. В случае задержки поршня 4 в одном из промежуточных положений, наступает рассогласование в работе гидропривода, приводящее к тому, что силовой насос 2, прорвав диафрагму, начинает выкачивать рабочую жидкость из диафрагменного на­ соса через нагнетательный клапан 14 в колонну насосно-комп­ рессорных труб.

Конструкция объемного бесштангового насоса, показанного на рис. 1.197, в [35], лишена недостатков, присущих конструк­ циям, показанным на рис. 1.197, а, 1.197, б. В этой схеме рабо­ чий орган / выполнен по принципу прямодействующего насоса. Такая конструкция позволила жестко связать объем рабочей жид­

кости, подающейся в диафрагменные камеры 8 и 9, с положени­ ем золотника пилотного распределителя 6. И, в случае замедле­ ния движения поршня прямодействующего насоса (например, при заедании), избыток рабочей жидкости через предохрани­ тельный клапан 7 возвращается обратно на прием силового на­ соса 2 Этот насос также имеет два всасывающих 10 и 11 и два нагнетательных клапана 12 и 15. Кроме того, данная конструк­ ция позволяет сделать блок диафрагм 8 и 9 — сменным и уста­ навливать его только в тех случаях, когда добываемая нефть со­ держит агрессивные компоненты или механические примеси.

Конструктивная схема бесштангового объемного насоса двухстороннего действия с блоком разделительных диафрагм или без него является наиболее перспективной и рекомендуется для дальнейшей проработки и внедрения на промыслах Западной Си­ бири.

Как видно из представленного анализа конструкций, на се­ годняшний день не удалось в полной мере реализовать возмож­ ности диафрагменных насосов. Наиболее перспективными яв­ ляются насосы с роторным приводом и гидравлической транс­ миссией двойного хода. Решение проблемы компенсации уте­ чек и контроля положения диафрагмы является основным для всех видов гидроприводных насосов и пока, к сожалению, она не решена в должной мере.

ГЛАВА II. Ш ТАНГОВЫ Е СКВАЖ ИННЫЕ НАСОСНЫ Е УСТАНОВКИ

2.1. ШТАНГОВАЯ СКВАЖИННАЯ НАСОСНАЯ УСТАНОВКА. ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ

В основу способа эксплуатации скважин штан­ говыми насосами положено использование объемною насоса возвратно-поступательного действия, спускаемого в скважину и приводимого в действие приводом, расположенным на по­ верхности. Привод и скважинный насос соединены вместе по­ средством механической связи. Весь этот комплекс оборудова­ ния называют скважинной штанговой насосной установкой (СШНУ).

Скважинная штанговая установка состоит из привода, устье­ вого оборудования, колонны насосных штанг, колонны насос­ но-компрессорных труб, скважинного насоса и вспомогатель­ ного подземного оборудования. В отдельных случаях какой-либо из элементов может отсутствовать, тогда его функцию выполня­ ют другие элементы СШНУ.

Привод предназначен для преобразования энергии двигателя в механическую энергию колонны насосных штанг, движущих­ ся возвратно-поступательно.

Колонна насосных штанг представляет собой стержень, со­ стоящий из отдельных штанг, соединенных друг с другом резь­ бовыми соединениями. Колонна насосных штанг передает ме­ ханическую энергию от привода к скважинному насосу.

Скважинный насос, как правило, плунжерный, преобразует механическую энергию движущихся штанг в энергию откачива­ емой пластовой жидкости.

Колонна насосно-компрессорных труб служит каналом для подъем откачиваемой пластовой жидкости и обеспечивает удер­ жание на весу цилиндра скважинного насоса.

Устьевое оборудование герметизирует внутреннюю полость колонны НКТ, ее соединения с нефтепромысловым коллекто­ ром, а также фиксирует верх колонны НКТ.

Вспомогательное подземное оборудование устанавливается в зависимости от особенностей каждой скважины. В комплект могут входить: якорь, фиксирующий низ колонны НКТ относи­ тельно эксплутационной колонны, газовые и песочные якоря или сепараторы для отделения из пластовой жидкости, поступа­ ющей на прием скважинного насоса, газа и песка, иногда кла- паны-отсекатели пласта.

Вотдельных случаях колонна штанг может быть полой, и ее внутренняя полость используется в качестве канала для подъема пластовой жидкости. При этом колонна НКТ может отсутство­ вать, а цилиндр скважинного насоса фиксируется специальным якорем с пакером.

Вбольшинстве СШНУ (рис. 2.1) в качестве привода приме­ няют балансирные станки-качалки. Балансирный станок-качалка состоит из рамы 2, установленной на массивном фундаменте 7. На раме смонтированы стойка 9, на которой с помощью шарни­ ра укреплен балансир 10, имеющий на одном конце головку 12, на другом — шарнир, соединяющий его с шатуном 7. Шатун соединен с кривошипом 5, укрепленном на выходном валу ре­ дуктора. Входной вал редуктора посредством клиноременной пе­ редачи соединен с электродвигателем 3. Головки балансира со­ единены с колонной штанг с помощью канатной подвески 13.

Колонна насосных штанг соединяет канатную подвеску на­ соса с плунжером глубинного насоса. Колонна собирается из отдельных штанг 17. Штанги имеют длину от 6 до 10 м, диаметр от 12 до 25 мм и более, соединяются друг с другом посредством муфт 23. Полированный шток 14 имеет поверхность, обработан­ ную по высокому классу чистоты, иногда ею называют первой или сальниковой штангой.

Колонна насосно-компрессорных труб служит для подъема пластовой жидкости на поверхность и соединяет устьевую ар­ матуру с цилиндром глубинного насоса. Она составлена из труб 18длиной по 8—12 м, диаметром 48—114 мм, соединенных труб­ ными муфтами 22. В верхней части колонны установлен устье­ вой сальник, герметизирующий насосно-компрессорные тру­ бы. Через сальник пропущена полированная штанга. Оборудо­ вание устья скважины имеет отвод, по которому откачиваемая жидкость направляется в промысловую сеть.

Рис. 2.1. Скважинная штанговая насосная установка

/ — фундамент; 2 — рама; 3 — электродвигатель; 4 — клиноременная передача; 5 — кривошип; 6, 8 — контргруз; 7 — шатун; 9 — стойка; 10— балансир; 11 — механизм фиксации головки балансира; 12 — головка балансира; 13 — канат­ ная подвеска; 14 — полированный шток; 15 — оборудование устья скважины; 16— обсадная колонна; /7 —колонна штанг; 18— насосо-компрессорные трубы; 19— глубинный насос; 20- газовый якорь; 2 /—уплотнение полированной штанги; 22 — муфта трубная; 23 — муфта штанговая; 24 — цилиндр глубинного насоса; 25— плунжер насоса; 26— нагнетательный клапан; 27— всасывающий клапан

Скважинный насос III представляет собой насос односторон­ него действия. Он состоит из цилиндра 24, прикрепленного к колонне насосно-компрессорных труб, плунжера 25, соединен­ ного с колонной штанг. Нагнетательный клапан 26 установлен на плунжере, а всасывающий 27 — в нижней части цилиндра.

Ниже насоса при необходимости устанавливается газовый IV или песочный якорь. В них газ и песок отделяются от пластовой жидкости. Газ направляется в затрубное пространство между насосно-компрессорной 18 и обсадной 16 колоннами (на фраг­ ментах I—IV рисунка эксплуатационная колонна не показана), а песок осаждается в корпусе якоря.

При работе СШНУ энергия от электродвигателя передается через редуктор к кривошипно-шатунному механизму, преобра­ зующему вращательное движение выходного вала редуктора че­ рез балансир в возвратно-поступательное движение колонны штанг. Связанный с колонной штанг плунжер также совершает возвратно-поступательное движение.

2.1.1. КЛАССИФИКАЦИЯ СКВАЖИННЫХ

ШТАНГОВЫХ НАСОСНЫХ УСТАНОВОК

Различные геолого-технические условия приме­ нения скважинных штанговых насосных установок (СШНУ) привели к огромному количеству разработанных узлов и целых систем, составляющих указанную насосную установку. Класси­ фикация скважинных штанговых насосных установок представ­ лена в виде морфологической матрицы на рис. 2.2 [1].

Верхняя строка морфологической матрицы представляет на­ земный привод разных видов и модификаций. Так, в первом столбце (блоке) расположен механический балансирный станоккачалка с синусоидальным (или близким к нему) законом дви­ жения, во втором — механический безбалансирный станок-ка­ чалка с тем же законом движения выходного звена, в третьем — механический привод с трапецеидальным законом движения выходного звена, в четвертом — гидравлический привод с тра­ пецеидальным законом движения, в пятом — пневматический с тем же законом движения. В остальных блоках (заполненных пунктиром) могут располагаться другие по виду основных рабо-

чих органов или закону движения выходного звена (в данном случае — точки подвеса полированного штока) виды приводных частей штанговой скважинной насосной установки.

Вторая строка содержит структурные единицы оборудования герметизации устья. В первом столбце второй строки находится устьевой сальник со сплошным полированным штоком, во вто­ ром — с полым полированным штоком, в третьем — с заглуб­ ленным сальником, в четвертом — со скважинным сальнико­ вым уплотнителем, в пятом — с использованием ленточных или реечных подвижных элементов. Другие виды уплотнений колонны насосных штанг на устье скважины могут быть представлены в остальных блоках данной строки.

Втретьей строке расположены блоки, представляющие виды штанговых колонн. Первый вид — обычная стальная колонна штанг, отдельные элементы которой соединяются друг с другом

спомощью резьбы, во втором блоке — комбинированная ко­ лонна штанг, включающая металлические и неметаллические штанги, в третьм блоке — непрерывные стальные эллипсообраз­ ные штанги, в четвертом — непрерывные стальные канатные штанги, в пятом — стальные ленточные штанги и т.д.

Вчетвертой строке расположены скважинные насосы. Плун­ жерные одноступенчатые насосы расположены в первом блоке, насосы для откачки высоковязких жидкостей расположены во втором блоке, в третьем — насосы для работы с сильно газиро­ ванными жидкостями, в четвертом — насосы для откачки жидко­ сти со значительным содержанием механических примесей и т.д.

Различные виды рабочих органов скважинных насосов пред­ ставлены в пятой строке, в шестой строке размещены разные виды клапанных узлов насосов.

Представленная на рис. 2.2 морфологическая матрица мо­ жет быть продолжена как по вертикали (вплоть до видов кре­ пежных элементов и конструктивного исполнения их резьбы), так и по горизонтали в каждой строке. Причем, даже если на сегодняшний день какая-либо строка или столбец могут ка­ заться заполненными, то из-за непрекращающегося научно-тех­ нического прогресса уже завтра в указанных столбцах и стро­ ках могут появиться десятки новых элементов и новых свобод­ ных ячеек.