2765.Оборудование для добычи нефти и газа Часть 2
..pdfРис. 7.43. Схемы гидрокачалок
Насос системы гидропривода подает рабочую жидкость под пор шень, поднимая колонну штанг.
Рабочая жидкость при этом поступает на прием насоса под напором из аккумулятора, где поддерживается постоянное дав ление. Давление поддерживается сжатым газом, находящимся над уровнем жидкости в аккумуляторе. В конце хода вверх эле менты управления 4 установкой переключают систему гидро привода на подачу рабочей жидкости из рабочего цилиндра в аккумулятор. При этом опускающиеся штанги тянут поршень 3 вниз, и он создает давление жидкости в цилиндре, подавая ее на прием силового насоса системы гидропривода. Таким образом, насос работает с подпором и при подаче рабочей жидкости в аккумулятор. Давление рабочей жидкости в аккумуляторе под бирается в таких пределах, чтобы двигатель работал с постоян ной мощностью при ходе штанг вверх и вниз.
Для обеспечения стабильности работы системы уравновеши вания в схеме установки фирмы «Викерс» имеется компрессор 7
для поддержания постоянного давления в аккумуляторе и по полнения утечек газа. Утечки рабочей жидкости пополняются вспомогательным насосом 6.
Схема, принятая для уравновешивания, использует вес НКТ. Для этого на скважине имеется уравновешивающий цилиндр 8, в котором на поршне 9 подвешены НКТ. Система гидропривода подает жидкость попеременно в рабочий и уравновешивающий ци линдры, а вес штанг или НКТ создает подпор на приеме насоса системы гидропривода. Конструктивно эта установка выполнена так, что все оборудование, включая систему управления и бак с рабочей жидкостью, крепится на фланце обсадной колонны скважины.
Установки с гидроприводом обеспечивают большие длины хода плунжера скважинного насоса, управление набором скоро сти штангами, легкое регулирование режима работы штанговой установки (изменение числа ходов). При гидроприводе металло емкость установки резко сокращается.
При больших длинах хода штанг длина движения НКТ у гид рокачалки (см. рис. 7.43, б) невелика, примерно 0,5 м, так как диаметр уравновешивающего поршня значительно больше диа метра поршня рабочего цилиндра. Конечно, движение НКТ при длительной эксплуатации таких установок может привести к истиранию муфт НКТ и порче обсадных колонн. Но небольшие скорость и длина хода НКТ позволяют авторам этой конструк ции говорить о необоснованности таких опасений.
Применение гидропривода требует значительно большего внимания при обслуживании установок, чем балансирные стан ки качалки. Особого внимания требуют уплотнения движущих ся частей и насос системы гидропривода. Поэтому установки с гидроприводом, несмотря на малую металлоемкость, видимо будут неконкурентоспособны с балансирными станками-качалками малой мощности при длинах хода до 2,5—3,5 м.
Основные параметры с гидроприводом следующие: установ ка АГН-Л имеет наибольшую длину хода точки подвеса штанг 2,2 м, нагрузку до 60 кН, массу 1550 кг; установка АГН-С имеет соответственно 3,5 м, 80 кН и 2000 кг [14].
Установка имеет следующие основные узлы (рис. 7.44):
1. Силовой орган гидроцилиндр /, поршень 2 которого по средством штока 3 и колонны штанг 4 связан с плунжером глу бинного насоса 5.
2. Уравновешивающее ус |
|
|
тройство — трубный гидро |
|
|
цилиндр 6, поршень которо |
|
|
го связан штоком 7 с верхней |
|
|
траверсой и двумя тягами 8. |
|
|
Последние в свою очередь по |
|
|
средством нижней траверсы |
|
|
соединены с колонной насос |
|
|
но-компрессорных труб 9, к |
|
|
нижней части которой кре |
|
|
пится |
цилиндр глубинного |
|
насоса |
10. |
|
3. Привод, состоящий из |
|
|
силового насоса 11, перека |
|
|
чивающего жидкость из бака |
|
|
12 попеременно в верхние |
|
|
полости гидроцилиндров. |
|
|
Коммутация потоков, жидко |
|
|
сти осуществляется силовым |
|
|
золотником 13. Кроме того, |
|
|
установка имеет систему ре |
|
|
версирования (на схеме не |
|
|
показана), переключающую |
|
|
силовой золотник при дости |
|
|
жении |
поршнями крайних |
|
положений, а также систему |
|
|
компенсации утечек, обеспе |
|
|
чивающую постоянство объе |
|
|
ма рабочей жидкости в под- |
|
|
порпшевых полостях гидро |
|
|
цилиндров. |
|
|
Установка работает следу |
|
|
ющим |
образом: подаваемая |
Рис. 7.44. Штанговая гидропрнводная |
насосом из бака рабочая жид |
установка с использованием в качестве |
|
кость через золотник направ |
уравновешивающего груза колонны |
|
ляется |
в верхнюю полость |
насосно-компрессорных труб |
|
||
Штангового гидроцилиндра.
При этом поршень перемещается вниз, а вместе с ним и шток, колонна штанг и связанный с ней плунжер. Рабочая жидкость
из нижней (штоковой) полости цилиндра по трубопроводу вы тесняется в нижнюю полость трубного цилиндра и перемещает его поршень вверх. Вместе с ним перемещается вверх и связан ный посредством штока, тяг и колонны насосно-компрессор ных труб цилиндр глубинного насоса. Таким образом плунжер движется вниз, а колонна труб вверх — происходит ход всасыва ния. При подаче рабочей жидкости в верхнюю полость трубного гидроцилиндра поршень, а вместе с ним колонна НКТ и ци линдр глубинного насоса перемещаются вниз. Рабочая жидкость из подпоршневой полости трубного цилиндра вытесняется в штанговый цилиндр, поршень которого перемещается вверх. Вместе с поршнем перемещается колонна штанг и связанный с ней плунжер глубинного насоса. Плунжер при этом перемеща ется вверх, а цилиндр вниз — происходит ход нагнетания.
Для соединения подвижной колонны насосно-компрессор ных труб с трубопроводом применяется гибкий шланг 14. Гер метизация колонны насосно-компрессорных труб осуществля ется посредством уплотнения, через который пропущен шток штангового цилиндра. Герметизация затрубного пространства осуществляется посредством уплотнения, установленного на фланце обсадной колонны. ф
Как следует из описания установки, для ее нормальной рабо ты необходимо поддерживать объем рабочей жидкости в под поршневых полостях постоянным. Для компенсации утечек как во внутренние полости цилиндров, так и в атмосферу в установ ке предусмотрена система компенсации утечек, состоящая из управляющего клапана и вспомогательного насоса. При умень шении объема рабочей жидкости меньше допустимого поршень штангового цилиндра сжимает клапан, который в свою очередь включает вспомогательный насос, заполняющий маслом под поршневую полость до необходимого объема.
7.2.4. КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ
ДЛИННОХОДОВЫХ СКВАЖИННЫХ НАСОСНЫХ УСТАНОВОК
Длинноходовые скважинных насосные установки (ДСНУ) для добычи нефти, разработанные и практически освоенные в настоящее время за рубежом, имеют ряд отличительных
особенностей. Во всех установках используется грузовой тип уравновешивания, для практической реализации которого при меняются дополнительные устройства: мачта или шурф. По этому все рассматриваемые приводы ДСНУ по конструктив ному признаку можно разделить на две группы: высокопро фильные (мачтовые) и низкопрофильные. Колонна штанг пере мещается с помощью каната, троса или ленты, ремня или цепи, намотанных на барабан, реверсивно вращаемый электродви гателем через редуктор или с приводом от гидромотора. Уп лотнение полированного штока в установках мачтового типа расположено так же, как у обычных ШСНУ, а в установках с шурфом — в верхней части колонны труб или не посредственно над скважинным на сосом.
Одна из первых ДСНУ мачтового типа была изготовлена фирмой Oilwell под шифром 3534. Наверху мачты (на высоте 15,7 м) размещаются два ба рабана, вращающихся на одном валу (рис. 7.45). На одном барабане ка нат удерживает подвеску колонны штанг; а на втором — поддержива ется контргруз при движении вверх и вниз вдоль мачты. Вал барабана приводится во вращение редуктором с приводом от электродвигателя, так же смонтированного наверху мачты, что делает установку более компакт ной, но затрудняет ее монтаж и об служивание. Конструкция барабана обеспечивает плавное изменение на правления движения полированного штока, что позволяет избежать пи ковых нагрузок на вал электродвига теля [15, 16].
Установка фирмы Oilwell имеет следующие технические характерно-
ТИКИ!
Максимальная длина хода, м |
10,36 |
Подача насоса, м3/сут |
100—200 |
Напор, м ..................................................... |
1500 |
Число ходов в минуту |
5 |
Потребляемая мощность, кВт............ |
56—112 |
Масса установки, т ........................ |
7.14,7—16,4 |
По данным фирмы, применение установок обеспечивает: со кращение количества аварий со штангами из-за уменьшения знакопеременных циклов нагружения; снижение динамических нагрузок благодаря большой длине хода и постоянной скорости движения штанг; лучшие показатели при перекачке вязкой жид кости; более низкие пиковые крутящие моменты, увеличение срока службы скважинного насоса; высокий коэффициент ис пользования мощности; полную автоматизацию работы систе мы.
Фирмой «Axelson» разработанны ДСНУ мачтового типа с высотой мачты 30 м. Цилиндр скважинного насоса установки состоит из четырех соответственно обработанных, хромирован ных труб длиной 7,2 м каждая, соединенных специальными муф тами [16].
Технические характеристики установки
Максимальная длина хода, м ...................... |
24 |
Подача насоса, м3/сут................................. |
70 |
Число ходов в минуту |
3 |
В результате испытаний установок получено сокращение ко личества обрывов штанг, увеличение срока службы скважинно го насоса, удешевление процесса подземного ремонта, так как для проведения спуско-подъемных операций использовался соб ственный привод.
Типичными представителями ДСНУ мачтового типа являют ся установки фирмы Маре (рис. 7.46). Основу привода составля ет мачта высотой до 16 м в зависимости от типа и назначения установки. Связь между полированным штоком, двигателем и контргрузом осуществляется канатом. В качестве привода в ус тановке используется гидродвигатель с низкой частотой враще-
Рис. 7.46. ДСНУ фирмы Маре
1 — электродвигатель; 2 — вал; 3 — насос; 4 — гидролинии; 5 — лебед ка; 6 — гидромотор; 7 — мачта; 8 — контргруз; Р, 10 — канат; 11 — тра верса; 12— полированный шток; 13
— устьевой сальник; 14 — колонна штанг; 15— НКТ; 16— цилиндр на соса; 17 — плунжер; 18— фильтр
11
12
13
14
15
16
у ш ш ^
17
18
ния. Раооту гидродвигателя ооеспечивает малогаоаритный насос с регулируемой подачей и электродвигатель. Применение гид родвигателя обеспечивает плавное регулирование хода полиро ванного штока, снижение динамических нагрузок на колонну штанг и увеличение сроков службы оборудования.
Технические характеристики
Максимальная длина хода, м |
2,5—10 |
Подача насоса, м3/сут......................... |
80—300 |
Напор, м ........................................... |
400—1500 |
Число ходов в минуту |
0,5—5 |
Потребляемая мощность, кВт..... |
37,3—167,8 |
Масса установки, т |
7,9—31,5 |
Наибольший эффект достигается при эксплуатации устано вок на континентальном шельфе.
ДСНУ мачтового типа, разработанная в АзИНмаше, содер жит электромеханический привод с реверсивным электродвига телем, установленным на мачте. Уравновешивание установки обеспечивается с помощью контргрузов, перемещающихся по направляющим мачт, длина хода плунжера 6—10 м, грузоподъ емность установки 8—10 т. Установка обеспечивает эксплуата цию и ремонт скважины без применения агрегата для подземно го ремонта.
Высокопрофильные (мачтовые) ДСНУ (фирмы Маре, Oilwell и др.) предназначены для работы с устьевым штоком и сальни ком обычной конструкции. К их достоинствам относятся: отсут ствие дополнительного шурфа для противовеса, возможность применения противовесов из железобетона, проведения ремон та скважин без применения агрегата для подземного ремонта. Недостатками мачтовых ДСНУ являются большие удельные масса и габариты, сложность обслуживания, ограничение хода плун жера 10—12 м. Последнее обстоятельство сильно снижает эф фективность применения ДСНУ с мачтовым приводом и поэто му более перспективными с точки зрения получения максималь ного эффекта являются установки с низкопрофильным приво дом и гибким тяговым органом, длина хода плунжера которого практически не ограничена.
С целью уменьшения габаритов привода установки ряд фирм отказались от использования мачт, а контргруз был опущен в шурф, специально пробуренный рядом со скважиной. Типич ным представителем такой установки является установка Alpha-1 (рис. 7.47) фирмы Bethlehem Steel.
Барабан лебедки приводится во вращение через стандартный редуктор трехфазным асинхронным двигателем м°Щностью 40 кВт. Направление вращения двигателя механически переключается при движении плунжера насоса вверх и вниз. Особенность этой уста новки в том, что барабан лебедки снабжен спирвльным желобом для троса или эксцентриками, благодаря которым трос увеличи вает свой пробег и которые позволяют изменять радиус барабана в конце каждого хода плунжера, снижать скорость> а> следова тельно, инерционные нагрузки. Эксцентриковая система намот ки троса позволяет изменять величину крутящег0 момента на валу
Рис. 7.47. ДСНУ Alpha-I фирмы Bethlehem Steel
/ — полированный шток; 2 — трос; 3 — направляющий шкив; 4 — эксцентрики; 5 — барабан лебедки; 6 — контргруз
двигателя и тем самым обеспечивать плавную остановку подвес ной системы и реверсирование ее движение в конце каждого хода. В течение периода времени, когда плунжер движется по инерции вниз, двигатель выключен и включение его для обеспечения об ратного движения происходит только тогда, когда инерционные нагрузки полностью снимаются. В результате такая установка полностью сбалансирована, и двигатель в течение почти всего хода плунжера потребляет постоянную мощность.
Технические характеристики установки
Максимальная длина хода, м |
.....................12 |
Подача насоса, м3/сут.................................. |
90 |
Напор, м ...................................................... |
800 |
Число ходов в минуту |
3 |
Потребляемая мощность, кВт..................... |
40 |
Глубина шурфа, м ..................................... |
16,5 |
Диаметр шурфа............................................ |
0,9 |
Результаты исследований показали, что использование кана та в качестве гибкого тягового органа приводит к увеличению габаритов привода установки, так как для обеспечения долго-
вечности и надежности работы каната необходимо обеспечить соотношение диаметра каната к диаметру барабана порядка 1:100. Диаметры приводных барабанов и направляющих роликов всех перечисленных установок составляют 1,5—2 м. Один из спосо бов решения этой проблемы предложила фирма National Supply (США), разработавшая ДСНУ Liftronic (рис. 7.48), в которой в качестве тягового органа используется грузовая пластинчатая цепь. В результате этого диаметр барабана и роликов уменьшил ся до 0,3 м, что привело к снижению габаритов установки.
В приводе установки имеются два барабана, смонтированных на валу редуктора. На барабаны намотаны цепи: одна связана с полированным штоком, другая — с противовесом. Редуктор смон тирован на станине вместе с электродвигателем и соединен с ним ременной передачей.
По достижению полирован ным штоком заданного по ложения, определяемого микропроцессором, двига тель установки отключает ся, после чего вращение двигателя реверсируется. Технические характеристи ки установки: максимальная длина хода — 9,14 м; число ходов в минуту — 1,5—3; максимальная нагрузка на полированный шток — 54 кН; высота привода — 2,18 м; масса привода — 1724 м; масса противовеса — 4082 м; глубина шурфа — 15 м; диаметр шурфа — 0,61 м.
Рис. 7.48. ДСНУ Liftronic:
/ — контргруз; 2 — обсадная тру ба; 3 — механическая часть ДСНУ; 4 — блок управления; 5 — выкид ная линия; 6 — устьевой сальник; 7 — НКТ; 8 — колонна штанг; 9 — насос; 10— всасывающий клапан