книги / Скважинные насосные установки для добычи нефти

Известно, что нагрузка на нижнее сечение колонны штанг при работе скважинного насоса (без учета динамических и гид­ родинамических нагрузок) состоит из следующих слагаемых.

_нагрузка от веса столба жидкости, поднимаемого на повер­

хность Земли;

— силы трения в паре «плунжер — цилиндр».

То есть, для стандартного скважинного насоса типа НН или НВ эта нагрузка при ходе плунжера вверх будет выглядеть:

где F — площадь плунжера насоса; рн — давление над плун­ жером насоса; рв — давление под плунжером насоса; / тр — сила трения между плунжером и цилиндром.

Соответственно, при ходе плунжера вниз нагрузка в нижнем сечении колонны штанг станет равной:

Р = ^Ло1 Ар > (2-158)

где Дры — перепад давления в нагнетательном клапане насоса при движении плунжера вниз.

Как видно из представленных общеизвестных формул, при­ менение стандартных скважинных насосов приводит к созда­ нию большой амплитуды нагрузок на колонну насосных штанг. Например, при значениях, наиболее характерных для эксплуа­ тации ШСНУ в Нижневартовском районе Тюменской области (напор насоса — 920 м, диаметр насоса — 44 мм) разность на­ грузок составляет 16—18 кН, однако наличие в откачиваемой жидкости механических примесей, увеличение обводненности и вязкости этой жидкости приводит к полутородвухкратному уве­ личению разности нагрузок.

Анализ существующих схем насосов [1] позволил выделить несколько наиболее перспективных именно с упомянутой точки зрения. Некоторые конструктивные схемы этих насосов пред­ ставлены на рис. 2.88 (а, б, в, г, д).

Рис. 2.88. Конструктивные схемы скважинных штанговых насосов

При работе скважинного насоса, изображенного на рис. 2.88, а, в нижнем сечении колонны штанг нагрузка при ходе плунжера вверх составит:

при обратном ходе (вниз) нагрузка будет равна:

где F2 — площадь поперечного сечения нижнего плунжера; Ft — площадь сечения верхнего плунжера; F3 — площадь попе­ речного сечения штока; рх— давление в подъемный трубах (НКТ); р2 — давление на приеме насоса.

Для наглядности нагрузки, возникающие в нижнем сечении колонны штанг при работе различных скважинных насосов, све­ дены в табл. 2.23. Как показали расчеты, оптимальными для при­ менения являлись следующие конструктивные условия: услов­ ные диаметры насосных ступеней — 57 и 32 мм, диаметр штока — 28 мм. При расчетах давление нагнетания принималось равным 10 МПа, давление на приеме насоса — 2 МПа.

Естественно, что подачи всех рассматриваемых насосов были приняты одинаковыми.

Зависимости нагрузок, возникающих при работе скважинных штанговых насосов специальных конструкций, представлены на рис. 2.89.

Как уже указывалось, наличие коррозионно-активных веществ и механических примесей в откачиваемой пластовой жидкости приводит к быстрому выходу из строя скважинных насосов. От­ казы скважинных поршневых или плунжерных насосов проис­ ходят либо по причине сверхдопустимого износа рабочих орга­ нов, либо из-за прихвата (заклинивания) плунжера (поршня) в цилиндре.

Рассматривая возможности устранения нежелательного воз­ действия пластовой жидкости на рабочие органы скважинных насосов, было выявлено, что одним из самых перспективных видов защиты плунжерной пары является диафрагма.

Все виды диафрагм (плоские, трубчатые, гофрированные и пр.) скважинных насосов для добычи нефти при работе подвергают­ ся сложной нагрузке: это и перепад давления, необходимый для совершения рабочего хода, и перепад давления, возникающий при работе клапанов (как рабочих — всасывающих и нагнета­ тельных, так и переливных), и изгиб некоторых участков диаф­ рагмы.

Рис. 2.89. Зависимости нагрузок на шток скважинного насоса при ходе плунжера вверх и вниз:

/ — для насоса а; 2 — для насоса б; 3 — для насоса г\ 4 — для насоса д

Анализ конструктивных элементов скважинных насосных ус­ тановок для добычи нефти при их эксплуатации в осложненных условиях позволил выбрать для конструирования несколько наи­ более рациональных схем скважинных диафрагменных насосов.

Схемы этих насосов представлены на рис. 2.90.

Штанговый скважинный диафрагменный насос невставного исполнения с неподвижными плунжерами и подвижными ци­ линдрами представлен на рис. 2.90, а.

Насос состоит из корпуса 8, в котором расположены плунжер 3 со штоком 1, цилиндр 5, всасывающий 9, нагнетательный 6, клапаны.

Защита зазора пары плунжер-цилиндр осуществляется путем заключения ее в замкнутый объем, заполненный жидкостью гид­ розащиты. Снизу этот объем ограничен гибкой диафрагмой 7, вы­ полненной в виде гофрированной трубки или баллона, сверху — телескопическими цилиндрами 2, в зазоре, между которыми нахо­ дится тяжелая жидкость 4, разделяющая жидкость гидрозащиты и перекачиваемую среду. Насос имеет вставное исполнение.

При ходе плунжера 3 вниз, жидкость гидрозащиты, находя­ щаяся под ним, заполняет внутреннюю полость диафрагмы 7, которая увеличивается в объеме, в результате чего открывается

Рис. 2.90. Конструктивные схемы штанговых диафрагменных насосов

нагнетательный клапан 6 и откачиваемая жидкость поступает в полость выше нагнетательного клапана б, где она занимает объем, высвобождаемый плунжером 3.

При ходе вверх, нагнетательный клапан 6 закрывается, пере­ качиваемая жидкость из верней части насоса под воздействием плунжера 3 поступает на поверхность. В это же время происхо­ дит забор перекачиваемой жидкости через всасывающий клапан 9 в нижнюю полость насоса, так как диафрагма 7 уменьшается в объеме.

Был также разработан насос, в котором верхняя часть плун­ жера защищена при помощи гофрированной трубки, одним кон­ цом прикрепляемой к штоку насоса, а другим к цилиндру. Рабо­ тает этот насос аналогично описанному выше.

На рис. 2.90, б представлен насос, предназначенный преиму­ щественно для беструбной эксплуатации с установкой в сква­ жине на пакере.

Насос состоит из цилиндра 6 и плунжера 5 с перепускным клапаном 4 верхней ступени цилиндра 8 и плунжера 7 нижней ступени, всасываюше-нагнетательной камеры 10, в которой рас­ положены всасывающий 12 и нагнетательный 9 клапаны и труб­ чатая диафрагма /], компенсационной камеры 3 с диафрагмой 2.

Объем между диафрагмами 2 и 11 заполняется маслом. Насос спускается на штангах 1. В этом насосе подвижными являются цилиндры б и 8, а плунжеры 5 и 7 неподвижны.

Насос работает следующим образом. При ходе штанг 1 вниз происходит сжатие диафрагмы //, так как увеличивается объем между цилиндром б и плунжером 7, куда через отверстия в плун­ жере поступает масло, а также происходит расширение диаф­ рагмы 2, в результате осуществляется забор пластовой жидкости через всасывающий клапан 12 во внутреннюю полость всасыва- юще-нагнетательной камеры 10 и вытеснение пластовой жидко­ сти, находящейся над клапанами 9, на поверхность. При ходе вниз, диафрагма 11 расширяется, пластовая жидкость, забран­ ная в предыдущем цикле в камеру всасывания-нагнетания 10, поступает через клапаны 9 в кольцевой зазор между обсадной колонной и насосом, где занимает объем, освобождаемый в ре­ зультате сжатия диафрагмы 2.

Кроме представленных в настоящей книге конструкций сква­ жинных штанговых насосов имеется огромное количество тех­ нических решений, направленных на решение проблемы эффек­ тивной эксплуатации штанговых насосных установок восложненных условиях эксплуатации [1, 53, 58, 59, 60].

Стандартные скважинные штанговые насосы возвратно-по­ ступательного действия предназначены для добычи нефти из скважин при обводненности продукции скважин до 99 %, тем­ пературе до 403 К (130 °С), содержании механических примесей до 1,3 г/л, содержании H2S и С 02 до 200 мг/л, минерализации воды до 200 мг/л и водородном показателе pH 4,0—8,0.

Скважинные штанговые насосы следует применять для эксп­ луатации скважин в умеренном и холодном климатических рай­ онах по ГОСТ 16350. Категория изделий — 5 по ГОСТ 15150.

Базовые типы насосов и обозначения конструкций должны соответствовать спецификации, приведенной в таблице 2.24.

Полное описание конструкции насоса включает:

—номинальный диаметр колонны НКТ, мм;

—тип насоса с указанием типа уплотнения плунжера и фик­ сирующего (якорного) устройства;

—условный диаметральный размер цилиндра насоса, мм;

—длину хода плунжера насоса в мм, уменьшенная в 100 раз;

—длину плунжера в мм, уменьшенная в 100 раз;