2765.Оборудование для добычи нефти и газа Часть 2

РАЗДЕЛ 6. УСТАНОВКИ СКВАЖ ИННЫ Х

НАСОСОВ С ГИ ДРО П РИ ВО ДО М

Гидропривод широко применяется в общем машиностроении и в нефтепромысловых машинах. Положительные качества гид­ ропривода послужили основой для создания ряда скважинных насосов с гидроприводом. Из них достаточно широко апроби­ рованы лопастные турбонасосы, струйные насосы, гидропорш­ невые, гидроштанговые насосы, гидроимпульсные (гидротаран­ ные) насосы и др.

Наиболее широкое распространение на отечественных и за­ рубежных промыслах получили струйные и гидропоршневые на­ сосы. В нашей стране гидроприводные насосы разрабатывались в Особом Конструкторском Бюро по Бесштанговым Насосам (ОКБ БН, в настоящее время «ОКБ БН — КОННАС») и начали применяться в 50—60-х годах. Основоположниками гидропри­ водных нефтепромысловых машин и оборудования были инже­ неры и конструкторы ОКБ БН — Богданов А.А., Чичеров Л.Г Росин И.И., Казак А.С., Ляпков П.Д., Шлиндман В.М. и др.

6.1. СКВАЖИННЫЕ ГИДРОПОРШНЕВЫЕ НАСОСНЫЕ УСТАНОВКИ

Способ передачи энергии от первичного наземного двигателя к скважинному насосу, откачивающему пластовую жидкость, ока­ зывает решающее влияние, как на основные показатели установ­ ки, так и на ее конструкцию и компоновку. Одним из основных наиболее широко распространенных недостатков штанговых сква­ жинных насосных установок (ШСНУ) является использование для привода скважинного насоса колонны штанг — элемента с отно-

сительно низкой прочностью, малой жесткостью, малой износо- и коррозионной стойкостью и со значительным собственным ве­ сом. Эти недостатки не позволяют эксплуатировать ШСНУ в глу­ боких, искривленных скважинах. Гидроприводные насосные аг­ регаты (ГПНА) лишены этих недостатков, поскольку передача энергии осуществляется потоком жидкости под давлением.

Действие установок гидропоршневых насосов (УГПН), пред­ назначенных для добычи жидкости из нефтяных скважин, осно­ вано на преобразовании энергии рабочей жидкости в возврат­ но-поступательное движение исполнительного механизма. Ис­ полнительный механизм в виде поршневого насоса двойного или дифференциального действия расположен непосредственно в скважине, а силовое оборудование, сообщающее потенциаль­ ную и кинетическую энергию рабочей жидкости, — на земной поверхности. Передача гидравлической энергии осуществляет­ ся, как правило, по внутреннему каналу труб.

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

Структурная схема ГПНА показана на рис. 6.1. Гидропоршневые насосные установки классифицируются:

—по типу принципиальной схемы циркуляции рабочей жид­ кости — открытая или закрытая;

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

—по принципу работы гидродвигателя — дифференциально­ го или двойного действия;

—по способу спуска погружного агрегата — спускаемые на колонне НКТ — фиксированные или свободные — сбра­ сываемые в скважину;

Продуктовый пласт

Рис. 6.1. Структурная схема ТОНА:

/ — передача энергии с помощью механизмов; 2 — передача энергии жидкостью

—по числу ГПНА, обслуживаемых одной наземной установ­ кой — индивидуальные или групповые.

Для работы в нефтедобывающих скважинах применяют глу­ бинные поршневые насосы с поршневым гидравлическим дви­ гателем с золотниковым распределением. Рассмотрим конструк­ ции скважинного и поверхностного оборудования.

6.1.1. СОСТАВ ОБОРУДОВАНИЯ СКВАЖИННЫХ

ГИДРОПОРШНЕВЫХ НАСОСНЫХ УСТАНОВОК

В состав скважинного оборудования входят: скважинный на­ сосный агрегат, колонны НКТ, различные скважинные устрой­ ства — 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 плун­ жером гидравлического двигателя. К гидравлическому двигателю

с поверхности подается силовыми насосами под давлением ра­ бочая жидкость (это может быть подготовленная добытая нефть, отделенная от воды и газа и очищенная от механических приме­ сей). Золотник-распределитель или переключатель гидравличес­ кого двигателя направляет рабочую жидкость попеременно в штоковую или рабочую полости цилиндра двигателя, располо­ женные под и над его поршнем. Поршень двигателя приводится в возвратно-поступательное движение и через шток передает это движение плунжеру насоса. Работа золотника регулируется што­ ком, соединяющим поршни глубинного агрегата, или специаль­ ной системой управления.

Насос отбирает добываемую жидкость. Отработанная рабо­ чая жидкость из двигателя направляется в подъемные трубы, по которым идет жидкость, отбираемая из скважины. На поверх­ ность 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 отде­ ленные вода и газ направляются в промысловую сеть, а чистая рабочая жидкость — в поверхностный насос, рис. 6.2. Открытая система циркуляции и подготовки рабочей жидкости имеет от­ стойники, сепараторы, устройства для подачи реагентов (напри­ мер, 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 трубо­ провод, по которому рабочая жидкость, отработавшая в двигате­ ле, поднимается на поверхность, не смешиваясь с добытой жид­ костью. Таким образом, подготовка рабочей жидкости резко упрощается. Практически в этом случае в основном надо отде­ лить лишь механические примеси (окалина с труб, продукты износа трущихся деталей). Поверхностное оборудование значи­ тельно упрощается, но требуется иметь три канала в скважине, что не всегда экономично, а иногда и невозможно.

Целесообразно иметь одну мощную поверхностную систему подготовки жидкости установки на несколько эксплуатируе-

Рис. 6.2. Схема гидропоршневой установки.

1— скважинный насос; 2 — погруж­ ной двигатель; 3 — канал для подъе­ ма продукции скважины и отрабо­ танной рабочей жидкости; 4 — ка­ нал для подачи рабочей жидкости к погружному агрегату; 5 — поверхно­ стный силовой насос; 6 — система подготовки рабочей жидкости

мых 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 отли­ чие от индивидуальных, имеющих у каждой эксплуатируемой скважины поверхностный насос и систему подготовки рабочей жидкости.

Погружной агрегат, особенно его насосная часть, конструк­ тивно схож с штанговым насосом. В отечественных гидропорш­ невых насосах использовались детали штангового насоса — втулки для цилиндра, плунжер (укороченный) и шаровые клапаны.

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

Гидродвигатель приводится в действие потоком рабочей жид­ кости, закачиваемой силовым насосом, расположенным на по­ верхности. Пластовая жидкость поднимается по колонне труб на поверхность, где часть ее используется для закачки силовым насосом обратно в скважину, а часть направляется в промысло­ вый коллектор.

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

Назначение этих элементов: насосный блок преобразует ме­ ханическую энергию приводного двигателя (электродвигатель или ДВС) в гидравлическую энергию потока рабочей жидкости, гид­ ропоршневой погружной насосный агрегат преобразует энергию рабочей жидкости в механическую энергию движения плунже­ ров двигателя и насоса, которая затем преобразуется в гидравли­ ческую энергию потока откачиваемой пластовой жидкости. Ко­ лонны НКТ являются каналами для рабочей и пластовой жид­ костей, 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 зарубеж­ ного опыта гидропоршневые установки позволяют эксплуати­ ровать скважины с глубин до 4500 м, с максимальным дебитом до 1200 м3/сут (при использовании системы тандем), при вы­ соком 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 глубин­ ных насосов других типов.

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

Скважинные гидропоршневые установки хорошо приспособ­ лены для эксплуатации наклонно направленных скважин, так как они не имеют движущейся возвратно-поступательно штан­ говой колонны (как у штанговых насосов) и кабеля рядом с тру­ бами, который повреждается при спуске агрегата (как у устано­ вок скважинных насосов с электроприводом).

Применение так называемых сбрасываемых глубинных гидро­ поршневых агрегатов (рис. 6.3) позволяет коренным образом изме­ нить спуско-подъемные работы при смене глубинного агрегата,

его до поверхности. Чтобы рабочая жидкость не уходила в по­ лость под пакером, в нем имеется обратный шаровой клапан.

Таким образом, спускоподъемные работы осуществляются без подъема труб. В этом случае не нужен подъемник и бригада под­ земного 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 относит­ ся прежде всего наличие сложного поверхностного оборудова­ ния, особенно при необходимости подготовки рабочей жидко­ сти, обслуживание которого довольно трудоемко. Однако боль­ шой КПД установки, облегчение спуска-подъема агрегата, приспособленность к работе в усложненных условиях эксплуа­ тации стимулируют его применение.

Современные гидропоршневые насосные установки способ­ ны 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.

6.1.2. СКВАЖИННЫЕ ГИДРОПОРШНЕВЫЕ ДВИГАТЕЛИ,

НАСОСЫ и з о л о т н и к и

Погружной агрегат состоит из насоса и двигателя с золотни­ ковым распределением потока жидкости. Двигатель может быть дифференциальным или двустороннего действия, а насос — диф­ ференциальным, одноили двустороннего действия. Учитывая различное расположение рабочих полостей в двигательной и насосной частях, возможно создание более 900 схем погруж­ ных агрегатов гидропоршневых насосов. Число схем, реа­ лизованных в серийных или опытных образцах, невелико. В основном это агрегаты с двигателем и насосом двусторонне­ го или дифференциального действия. Наиболее простое конст­ руктивное 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).

ю