книги / Скважинные насосные установки для добычи нефти

ствуют удержанию насоса на месте в начале работы при ходе плунжера вверх. К достоинствам насоса относится то, что при его смене он поднимается на поверхность земли на штангах без подъема колонны НКТ. Плунжер, имеющий нагнетательный клапан в нижней своей части, создает малое мертвое простран­ ство. Но, поскольку насос спускается внутрь колонны НКТ, он имеет меньший диаметр плунжера, чем трубный насос, спускае­ мый с теми же НКТ. Это ограничивает подачу вставного насоса, а также снижает скорость течения жидкости в НКТ. Последнее важно при отборе жидкости с песком, так как вынос его будет хуже. Обратный клапан 2 предохраняет от попадания песка в цилиндр при остановках насоса.

Современные вставные насосы типов НВ1 (с установочным замком в верхней части насоса) и НВ2 (с замком внизу) могут выпускаться со сдвоенными всасывающими и сдвоенными нагнетальными клапанами. Такое дублирование клапанов принято из-за того, что вставные на­ сосы обычно предназначены для спуска на боль­ шую глубину, чем трубные.

Рис. 2.83. Схема вставного насоса

1 — НКТ; 2 — обратный клапан; 3 — седло; 4 — пружи­ на; 5 — насос; 6 — направление

Трубные насосы типа ННА с автоматическим сцеплением штанг со штоком плунжера насоса спускаются в сборе на ко­ лонне НКТ. Штанги спускаются после спуска насоса на задан­ ную глубину и автоматически соединяются со штоком плунже­ ра. Конструкцией насоса предусмотрено автоматическое рассо­ единение колонны штанг и штока плунжера перед подъемом насоса и открытие сливного клапана для опорожнения колонны НКТ от откачиваемой жидкости.

Такая схема насоса позволяет спускать цилиндр диаметром большим, чем внутренний диаметр НКТ. Это дает экономию

металла и позволяет иметь большую скорость потока жидкости при подъеме ее на поверхность. Последнее важно при отборе жидкости с песком для уменьшения возможности его оседания. Еще одним преимуществом данной конструкции насоса являет­ ся отсутствие износа или повреждения плунжера невставного

насоса при его спуске в колонну НКТ.

Все насосы с металлическим плунжером и цилиндром имеют унифицированные детали. В зависимости от величины зазора между плунжером и цилиндром, выпускаются насосы пяти групп посадок (зазоров между плунжером и цилиндром насоса):

1 группа посадки — от 0 до 0,063 мм;

2 группа посадки — от 0,025 до 0,078 мм;

3 группа посадки — от 0,050 до 0,113 мм;

4 группа посадки — от 0,075 до 0,138 мм;

5 группа посадки — от 0,100 до 0,163 мм.

При оснащении скважины насосом группа посадки выбира­ ется в зависимости от вязкости откачиваемой жидкости, содер­ жания в ней песка, размера его частиц и т.д.

Плунжеры насосов изготавливают из стали и покрывают из­ носоустойчивым слоем хрома толщиной до 70 мкм. Плунжер может иметь концентричные или винтовые канавки, насечку. Канавки и насечка предохраняют плунжер от заклинивания пес­ ком. Для скважин с большим выносом песка применяют плун­ жер «пескобрей». Он имеет скошенную внутрь плунжера верх­ нюю кромку и углубленную в плунжер клетку, соединяющую его со штангами. Таким образом, плунжер как бы сбривает ме­ ханические примеси со стенок цилиндра. Примеси поступают к клетке клапана, где их подхватывает поток откачиваемой жид­ кости, выносящий механические примеси из зоны контакта плун­ жер-цилиндр. Другие виды плунжеров для скважинных штанго­ вых насосов рассмотрены ниже.

Втулки цилиндра выполняют из чугуна, стали марки 45 или 38Х2МЮА. Для упрочнения внутренней поверхности втулок их подвергают термообработке. Втулки из чугуна и ст. 45 подверга­ ют закалке, а из стали марки 38Х2МЮА — азотированию на глубину 0,2—0,5 мм. В результате термообработки твердость внутренней поверхности втулок доводится у чугуна до HRC 36...45,

устали 45 — до HRC 50 и у стали марки 38Х2МЮА до HRA 80

иболее.

Втулки выполняют с большой точностью, так как в наборе их может быть 12 и более. Контакт их торцов при сжатии втулок должен быть герметичен, а внутренняя полость сборки втулок должна представлять собой прямолинейный цилиндр с малой шерохова-тостью и малым отклонением в размерах цилиндра.

Цельнометаллический цилиндр изготовляется из стали мар­ ки 40Х. К внутренней поверхности его предъявляются те же тре­ бования, что и к втулочному цилиндру. Клапаны насосов шари­ ковые. Шарик притирается к седлу. Седло имеет меньшую твер­ дость, чем шар, что увеличивает срок службы этой пары. Рабо­ чая кромка седла углублена и защищена «ложной» фаской от ударов шаром.

Насосы с неметаллической рабочей поверхностью плунже­ ра типа НВ1м и НН2м могут иметь гуммированный плунжер (рис. 2.84) или плунжер с манжетами.

Рис. 2.84. Схема гуммированного плунжера

Гуммированный плунжер изготовляют вулканизацией или приклеиванием резиновых частей к плунжеру. Верхнее уплотнение имеет подвод жидкости из плунжера в свою внутреннюю полость. Поскольку нагнетательный клапан расположен внизу плунжера, под действием давления жидкости распирается верх­ нее уплотнение. Остальные гуммированные части изготовлены так, что входят в цилиндр с натягом и тоже воспринимают опре­ деленную часть перепада давления. На плунжере обычно имеет­ ся четыре-шесть гуммированных уплотнений или манжет.

Цилиндры этих насосов делают без втулок и с втулками. Раз­ мер диаметра цилиндра не требует высокой точности, но повер­ хность его должна иметь весьма малую шероховатость. Такие насосы значительно дешевле втулочных. Но большого перепада давления они не выдерживают и предназначены для малых и средних величин динамического уровня. Ограничено также со-

Насосы НВ1Д2 предназначены для отбора жидкости с боль­ шим содержанием свободного газа. Жидкость в них при дви­ жении плунжерной сборки вниз попадает через входной кла­ пан, расположенный в нижнем плунжере, в полость между плун­ жерами. Это происходит из-за увеличения объема межпунжерной зоны и уменьшения в ней давления. При ходе плунжеров вверх объем межпунжерной зоны уменьшается, что приводит к закрытию нижнего клапана, открытию нагнетательного клапа­ на в верхнем плунжере и перемещению жидкости в полость 4 и в НКТ.

Сравнение характеристик насосов

Области применения насосов в зависимости от ха­ рактеристики откачиваемой смеси приведена в табл. 2.21. Буквы П, В и Т, включенные после обозначения насоса, соответствуют следующим конструктивным особенностям: П — насос с седла­ ми клапанов из твердых сплавов; В — то же, с пескозащитным устройством и сепаратором; Т — с седлами клапанов из твердых сплавов и с полым штоком (для подъема жидкости по полым штангам) [15].

Примечание. Минерализация жидкости — не более 200 мг/л, pH = 4,2—9,8, содержание сероводорода — не более 0,1 об. %.

Сравним параметры насосов. Меньшими подачами облада­ ет НСН1, так как у него из-за штока ограничена длина хода плунжера. Вставные насосы НВ1 имеют большую подачу, но примерно в 2 раза меньшую, чем трубные насосы НН2. Дос­ тижимые напоры, наоборот, меньше у трубных насосов НН (обычно до 1200—1500 м), чем у вставных (до 2500 м)^ Насосы с неметаллическим плунжером имеют самую большую подачу, примерно вдвое большую, чем НН2, а напор — до 1800 м. Встав­ ные втулочные насосы выпускают с плунжером диаметром до 70 мм, трубные втулочные — с диаметром плунжера до 120 мм. Однако область применения насосов ограничена для скважин с малыми диаметрами обсадных колонн (табл. 2.22). С другой сто­ роны, применение вставных насосов ограничено наличием в от­ качиваемой жидкости механических примесей и асфальто-смо- ло-парафинистых веществ, которые могут откладываться при откачке как в колонне НКТ, так и в самих замковых устрой­ ствах (якорях) скважинных вставных насосов. Это может при­ вести к осложнениям при подъеме вставного насоса — обра­ зовании песчаной или парафинистой пробки или «пыжа» и даже заклинивании насоса с последующим обрывом колонны штанг.

Таблица 2 .2 2

Возможности применения штанговых насосов в обсадных колоннах

Огромное количество разнообразных условий эксплуатации скважинных штанговых приводит к тому, что кроме стандарт­ ных видов насосов имеется большое число конструкций, при-

способленных к конкретным геолого-техническим условиям месторождений.

Так, например, российская фирма ООО «Экогермет» разра­ ботала и внедрила новые типы штанговых насосов для добычи неф­ ти. Конструкция основных узлов насосов — уплотнений цилинд­ ра и плунжера, клапанных узлов и сливных устройств — корен­ ным образом отличается от конструкции узлов штанговых насо­ сов, выпускаемых в соответствии со стандартами Американского нефтяного института (API) и с отечественными стандартами [53].

Стоимость цилиндра составляет около 70 %, а стоимость плун­ жера в зависимости от материального исполнения от 20 до 25 % от общей стоимости насоса. Изношенная пара не поддается ре­ монту и нефтяники вынуждены списывать дорогостоящие насо­ сы и закупать новые. Большие энергетические потери нефтяни­ ки несут при длительной эксплуатации СШН, которые работа­ ют с низким объемным КПД. Практика показывает, что серий­ ные насосы сначала работают с достаточно высоким коэффици­ ентом подачи, но по мере износа уплотнения коэффициент по­ дачи падает. Когда коэффициент подачи снижается до 0,3—0,4 насос поднимают для его замены или ремонта. Спуско-подъем­ ная операция стоит в 3—5 раз дороже самого насоса и поэтому нефтяники вынуждены эксплуатировать СШН при достаточно низких значениях КПД. Замена насоса также приводит и к про­ стоям скважин. Таким образом, применение бесконтактного щелевого уплотнения плунжерно-цилиндровой пары в серий­ ных СШН создает проблемы как при их изготовлении, так и при эксплуатации, которые в конечном итоге приводят к удоро­ жанию себестоимости добываемой нефти. С целью устранения вышеназванных проблем предложен новый тип уплотнения плун­ жерно-цилиндровой пары СШН, конструкция которого защи­ щена патентами России и США [54].

Устройство относится к классу контактно-лабиринтных ме­ ханических уплотнений. Оно состоит минимум из двух плаваю­ щих колец, которые с помощью упругих элементов прижимают­ ся одновременно к уплотняемой цилиндрической поверхности и друг к другу своими торцовыми поверхностями. Для получе­ ния максимального эффекта кольца должны прижиматься к уп­ лотняемой поверхности с противоположных сторон.

Первое кольцо (слева) перекрывает верхнюю половину уп­ лотнительного зазора, при этом в нижней части зазор макси­ мальный; второе кольцо перекрывает нижнюю половину зазора,

при этом максимальный зазор остается вверху. Суммарная пло­ щадь сечения уплотнительного зазора, образованного парой эк­ сцентрично смещенных и прижатых друг к другу колец, намного меньше площади сечения зазора, образованного одним коль­ цом. В начальный момент работы машины уплотнительные коль­ ца контактируют с уплотняемой поверхностью по линии и жид­ кость из области высокого давления движется в область низкого давления слева направо по щелевому зазору переменного сече­ ния. По мере приработки трущихся уплотнительных поверхнос­ тей площадь контакта увеличивается и уплотнение из контакт­ но-щелевого превращается в контактное, в котором непрерыв­ ный уплотнительный поясок состоит из двух смещенных сег­ ментов (заштрихованная площадь). В реальных конструкциях уплотнений используется несколько пар колец, причем каждая последующая пара повернута вокруг оси на определенный угол по отношению к предыдущей паре. Герметизирующая способ­ ность уплотнения зависит от количества пар уплотнительных колец. В отличие от самоуплотняющихся эластомерных уплот­ нений контактная нагрузка в паре трения в этом типе уплотне­ ния не зависит от перепада давления и поэтому она может рабо­ тать при очень высоких давлениях среды (до 50 МПа и выше) с минимальным износом. Долговечность работы уплотнения обес­ печивается также за счет компенсации износа уплотнительных поверхностей. В качестве упругих элементов используется рези­ новая обойма, которая одновременно служит и уплотнением между уплотнительными кольцами и неподвижным корпусом.

Приняв за основу механическое уплотнение по патенту № 2037077 ООО «Экогермет» разработало и внедрило два типа штанговых насосов: поршневой и плунжерный.

Поршневые насосы новой конструкции отличаются от серий­ ных тем, что вместо длинномерного плунжера в них использует­ ся короткий поршень с механическим уплотнением. Такие на­ сосы имеют обозначение соответственно НВ —2СП и НН-2СП.

Сборные поршни типа 2СП (рис. 2.86) включают в себя ме­ ханическое уплотнение, состоящее из двух резиновых обойм, на эксцентричных буртах которых размещено 24 стальных уплот­ нительных кольца. Обоймы вместе с кольцами монтируются на полый корпус поршня, в верхней части которого имеется пере­ ходник для соединения с колонной штанг. Нижняя часть корпу-

Рис. 2.86. Схема сборного поршня типа 2СП:

1 — корпус поршня; 2, 3 — кольцо соответствен­ но стальное и резиновое; 4 — резиновая обойма; 5 — кольцо уплотнительное; 6 — корпус клапана; 7 — клапан типа К; 8 — опора седла клапана

са поршня на резьбе соединяется с корпу­ сом шарикового клапана отечественной конструкции.

Наработка цилиндро-поршневой груп­ пы насосов с поршнями типа 2СП повы­ силась для изношенных цилиндров в сред­ нем на 10—20 %, а для новых цилиндров в 2—3 раза. При этом следует учесть, что при ремонте насосов с использованием сбор­ ных поршней типа 2СП не требуется меха­ ническая обработка цилиндра. Это дает значительный экономический эффект. Так, стоимость ремонта штангового насоса та­ ким способом составляет примерно 30 % от стоимости нового насоса (замене под­ лежит только плунжер и клапаны), а ре­ монт с механической обработкой цилинд­ ра около 85 %. Использование сборных пор­ шней типа 2СП в новых цилиндрах дает гораздо больший экономический эффект за счет повышения КПД насоса и уменьше­ ния спуско-подъемных операций. По той же схеме может быть собран скважинный насос с длиной хода 30 м, в котором ци­

линдр составлен из восьми стандартных цилиндров. Ввиду того, что в механическом уплотнении нет зазора между цилиндром и Уплотнительными кольцами, насосы типа НН-2СП лучше рабо­ тают на загрязненных жидкостях, чем серийные насосы. Ника­ кие специальных противопесочных приспособлений здесь нет. П^соК или другие механические частички просто «сбриваются» с Поверхности цилиндра. В механическом уплотнении созданы лУЧшие условия для смазки трущихся поверхностей, так как каж­

дое кольцо с одной стороны контактирует с цилиндром, а с дру­ гой стороны образует зазор, своего рода канавку, в которой со­ бирается смазка и изношенные частички. Известно, что изна­ шивание пар трения в абразивной среде меньше, если одно из тел установлено на упругом основании. Наличие упругой обой­ мы также дает возможность работать поршню в частично изно­ шенном цилиндре, где имеются выработки. В обычном насосе если в цилиндре образовался уступ, то. при смене длины хода плунжер в этом месте заклинивает.

Кроме функциональных преимуществ насосов с поршнем типа 2СП, имеются также и технологические преимущества. Стоимость изготовления, ремонта и эксплуатации этих насосов значитель­ но ниже, чем стоимость аналогичных серийных насосов. Вопервых, ввиду того, что механическое уплотнение значительно короче серийного плунжера, то и сам насос более чем на 1 м короче стандартного при той же длине хода. Конструкция ци­ линдра упрощается, так как нет необходимости в удлинителях. Отпадает необходимость в прецизионных (импортных) трубах для изготовления цилиндров. Требования по точности изготов­ ления наиболее трудоемких цилиндров и поршней также могут быть снижены.

В плунжерном насосе механическое уплотнение, через кото­ рое проходит плунжер, установлено в неподвижном корпусе, который соединяется с колонной НКТ. Для того чтобы умень­ шить длину плунжера, в корпусе устанавливается не одно, а два или три механических уплотнения, расстояние между которыми должно быть меньше длины плунжера. В насосах с приводом от станка-качалки и длиной хода до 3-х метров длина плунжера принята 1200 мм. Корпус насоса состоит из отрезков НКТ, со­ единенных между собой 3-мя муфтами, в которых размещены механические уплотнения. Плунжер проходит последовательно одно за другим механические уплотнения не нарушая процесса всасывания или нагнетания. Таким образом, в плунжерном на­ сосе отсутствует наиболее трудоемкая деталь — цилиндр. По­

этому такие насосы названы бесцилиндровыми — насосы типа НСБ [54].

Секционная конструкция позволяет создавать насосы типа НСБ практически с любой длиной хода (рис. 2.87). Для длинно­ ходовых установок с ленточным приводом (ДГУ) были разрабо­