книги / Скважинные насосные установки для добычи нефти

тродвигателя. Данная схема привода обеспечивает большое пе­ редаточное отношение, что позволяет использовать быстроход­ ные электродвигатели с малой массой или обеспечивать малые скорости вращения ротора насоса.

Приводы винтовых штанговых насосов с объемными гидродвигателями имеют самый широкий диапазон регулирования частоты вращения колонны штанг и возможность оперативного управления добывными возможностями установки. Однако та­ кой привод является достаточно дорогим и требует высокой ква­ лификации обслуживающего персонала и применения высоко­ качественных рабочих жидкостей, особенно при низких темпе­ ратурах окружающей среды.

2.3.5. ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ И РАСЧЕТА ШТАНГ С ВИНТОВЫМИ НАСОСАМИ

В установках винтовых штанговых насосов исполь­ зуются насосные штанги, которые применяются и в СШНУ. Однако условия работы штанговой колонны, приводящей во вращение ротор винтового насоса существенно отличаются от условий работы штанг в составе СШНУ. В отличие от СШНУ упругая колонна штанг ВШНУ подвержена действию не только продольных деформаций за счет собственного веса и гидравли­ ческой нагрузки, но и деформации кручения.

Угол закручивания верхнего сечения штанговой колонны за­ висит от крутящего момента, длины колонны штанг, модуля сдвига материала штанг и полярного момента инерции колонны штанг:

где к — коэффициент, учитывающий отклонение оси сква­ жины от вертикали и трение штанг в центраторах; М — крутя­ щий момент насоса (в нижнем сечении колонны штанг); L — длина колонны штанг; G ~ модуль сдвига материала штанг, для стали G= 0,8—105 МПа; / — полярный момент инерции сече­ ния, /р = лсР/32; d - диаметр штанг.

Коэффициент трения колонны штанг может достигать зна­ чительных величин (до 5—10), однако, если пренебречь влияни­

ем сил трения и принять, что скважина вертикальная, то коэф­

фициент можно считать равным 1.

Верхнее сечение колонны штанг при начале работы ВШНУ претерпевает предварительную деформацию кручения состав­ ляющую 10—30 оборотов (на всю длину колонны штанг) и находится в упругодеформированном состоянии, что обусловливает необходимость оснащения привода ВШНУ тормозным устрой­ ством и повышенные требования безопасности при демонтаже установки или при подъеме полированного штока.

Деформация растяжения колонн штанг и НКТ после вывода насоса на рабочий режим учитывается при начальной установке ротора относительно статора при монтаже установки.. Расчет деформации колонны НКТ и штанг ведется аналогично расчету для соответствующих элементов СШНУ.

Как уже было сказано, при эксплуатации ВШНУ колонна штанг одновременно испытывает нагрузки от растяжения, кру­

чения и изгиба.

Растягивающие нагрузки складываются от распределенной на­ грузки от силы тяжести колонны (7ШТи сосредоточенной (в сече­ нии х = L) нагрузки от осевых сил в рабочих органах насоса F^о, которые в свою очередь складываются из гидравлической силы от перепада давления в насосе Fpи осевой составляющей силы в

где q — масса 1погонного метра штанг; g — ускорение свобод­ ного падения; /* — расстояние от точки подвески насоса (х = L) до рассматриваемого сечения х (по вертикали); / — глубина подвески насоса по вертикали;/— площадь сечения штанг; ршт

— плотность материала штанг; Sk — площадь проекции кон­ тактных линий рабочих органов {Sk = (0,25d1+ 2е2)} — для насосов с однозаходным ротором; Sk ~ 0,25{Dk— Зе) 2 — для МВН);

А/?тр —потери давления на трение при движении жидкости в коль­ цевом пространстве; Р — давление насоса, Р= pgH + &р + р ; ру— устьевое давление. тр

При Я = 1 Fр = P{Sk —/).

Крутящий момент, передаваемый штангами Мшт, складывает­ ся из крутящего момента насоса М, момента трения вращения колонны штанг в центраторах Мтр и момента внутренних потерь в штангах на искривленных участках скважины Ми:

где кы— коэффициент сопротивления вращению колонны в скважине, зависящий от координаты рассматриваемого сечения и профиля скважины. При расчетах можно принять ки (0) = 1,1;

Л™ = ° -5-

Изгибающие нагрузки действуют на искривленных участках профиля скважины, а также в нижней штанге, компенсирую­ щей эксцентриситет рабочих органов.

В зависимости от профиля скважины опасным может являть­ ся одно из двух сечений колонны штанг:

— верхнее сечение колонны (х = 0), где действуют макси­ мальные растягивающие стр и касательные t напряжения

°р(0) = с шт (0) + Fpo / (Я; Т (0) = Мшт ( 0 )/f V p; (2.179)

— сечение, расположенное на искривленных участках про­ филя, где возникают изгибающие напряжения

где W — полярный момент сопротивления сечения штанг, W = яг/з/16; Ет — модуль упругости материала штанг; R — радиус искривления.

Расчет колонны штанг на статическую прочность может вес­ тись с целью: 1) определения требуемого диаметра d или преде­ ла текучести (ат материала штанг; 2) коэффициента запаса

п р о ч н о с т и в з а д а н н ы х у с л о в и я х э к с п л у а т а ц и и н а с о с а ; 3 ) п р е ­ д е л ь н о й гл у б и н ы с п у с к а н а с о с а . У с л о в и е с т а т и ч е с к о й п р о ч н о с т и и м е е т вид:

деления глубины спуска насоса под динамический уровень жид­ кости в скважине. Этот этап подбора аналогичен первому этапу подбора других видов скважинных насосов, рассмотренных ра­ нее. Единственным отличием здесь является величина заглубле­ ния под динамический уровень, т.к. винтовые насосы могут ра­ ботать с довольно высоким содержанием свободного газа на приеме. Эта величина может достигать 50%.

После определения глубины подвески насосы, т.е. длины ко­ лонны штанг и НКТ, определяют типоразмеры подходящих вин­ товых насосов и требуемые частоты вращения колонны, исходя из заданной величины подачи насоса.

Выпускаемые винтовые насосы имеют разные рабочие объе­ мы, поэтому указанные в паспортных данных теоретические подачи насоса относятся к постоянной частоте вращения рото­ ра насоса, равной 100 об/мин. Поэтому для заданного дебита скважины могут быть приняты разные насосы с разными час­ тотами вращения ротора. Обычно выбирается частота враще­ ния в интервале от 150 до 350 об/мин. Меньшая частота при­ водит к большим потерям напора насоса, большая — к повы­ шению потерь трения как в винтовой паре, так и в колонне штанг.

По выбранному типоразмеру насоса определяется момент вращения ротора насоса и момент трения колонны штанг, сум­ ма которых определяет необходимый момент на полированном

штоке и приводной головке. По моменту и частоте вращения полированного штока проводится выбор приводной головки и приводного двигателя.

По максимальному крутящему моменту на полированном штоке проводится расчет колонны штанг. Так как чаше всего в ВШНУ применяются штанги диаметром 22 мм, то по величине крутящего момента подбирается марка стали, обеспечивающая необходимый запас прочности по эквивалентным напряжени­ ям, рассмотренным в п. 2.3.5.

Выбор приводного электродвигателя осуществляется по мощ­ ности и частоте вращения на полированном штоке, а также с учетом передаточного отношения выбранного типоразмера при­ водной головки.

ГЛАВА III. УСТАНОВКИ СКВАЖИННЫХ НАСОСОВ С ГИДРОПРИВОДОМ

Гидропривод широко применяется в общем ма­ шиностроении и в нефтепромысловых машинах. Положитель­ ные качества гидропривода послужили основой для создания ряда скважинных насосов с гидроприводом. Из них достаточно ши­ роко апробированы лопастные турбонасосы, струйные насосы, гидропоршневые, гидроштанговые насосы, гидроимпульсные (гидротаранные) 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.

3.1. СКВАЖИННЫЕ ГИДРОПОРШ НЕВЫ Е НАСОСНЫЕ УСТАНОВКИ

Способ передачи энергии от первичного наземно­ го двигателя к скважинному насосу, откачивающему пластовую жидкость, оказывает решающее влияние, как на основные пока­ затели установки, так и на ее конструкцию и компоновку. Одним из основных наиболее широко распространенных недостатков штанговых скважинных насосных установок (ШСНУ) является ис­ пользование для привода скважинного насоса колонны штанг — элемента с относительно низкой прочностью, малой жесткостью, малой износо- и коррозионной стойкостью и со значительным собственным весом. Эти недостатки не позволяют эксплуатиро­ вать ШСНУ в глубоких, искривленных скважинах. Гидропривод­

ные насосные агрегаты (ГПНА) лишены этих недостатков, по­ скольку 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 дневной 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. 3.1. 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;

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

Продуктовый пласт

Рис. 3.1. Структурная схема ГПНА:

/ — передача энергии с помощью механизмов;

2 — передача энергии жидкостью

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

3.1.1. Состав оборудования скважинных гидропоршневых насосных установок

В состав скважинного оборудования входят: сква­ жинный насосный агрегат, колонны НКТ, различные скважин­ ные устройства — пакеры, якори, центраторы, клапаны-отсека- тели и др. Скважинный насосный агрегат включает в себя плун­ жерный или поршневой насос, плунжерный или поршневой гид­ равлический двигатель. При этом плунжер насоса соединен што­ ком с плунжером гидравлического двигателя. К гидравлическому

двигателю с поверхности подается силовыми насосами под дав­ лением рабочая жидкость (это может быть подготовленная до­ бытая нефть, отделенная от воды и газа и очищенная от механи­ ческих примесей). Золотник-распределитель или переключатель гидравлического двигателя направляет рабочую жидкость попе­ ременно в штоковую или рабочую полости цилиндра двигателя, расположенные под и над его поршнем. Поршень двигателя при­ водится в возвратно-поступательное движение и через шток пе­ редает это движение плунжеру насоса. Работа золотника регули­ руется штоком, соединяющим поршни глубинного агрегата, или специальной 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. 3.2. 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. 3.2. 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.