книги / Скважинные насосные установки для добычи нефти

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. 3.3) позволяет коренным образом изме­ нить спуско-подъемные работы при смене глубинного агрегата,

Рис. 3.3. Схема спуска, работы и подъема сбрасываемого гидропоршневого насосного агрегата при определенном положении устьевого четырехходового крана.

а — спуск; б — работа; в — подъем

значительно облегчив их. Сбрасываемый глубинный агрегат спус­ кается во внутреннюю полость НКТ, заполненных жидкостью, и проталкивается рабочей жидкостью, закачиваемой с поверхности. В нижней части колонны НКТ установлено седло, в которое агре­ гат запрессовывается потоком рабочей жидкости. Вскважину можно спустить два ряда НКТ. Можно спустить в скважину один ряд НКТ, в этом случае НКТ герметизируются установленным в сква­ жине пакером. Таким образом, образуется канал для подачи рабо­ чей жидкости (НКТ) и канал (межтрубное пространство) для подъе­ ма на поверхность жидкости, откачиваемой насосом из скважины и смешанной с отработанной жидкостью, выходящей из поршне­ вого привода. Для подъема глубинного агрегата на поверхность поток рабочей жидкости направляют в межтрубное пространство, жидкость попадает под сваб глубинного агрегата и выталкивает

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.

3.1.2. Скважинные гидропоршневые двигатели, насосы и золотники

Погружной агрегат состоит из насоса и двигате­ ля с золотниковым распределением потока жидкости. Двига­ тель может быть дифференциальным или двустороннего дей­ ствия, а насос — дифференциальным, одноили двусторонне­ го действия. Учитывая различное расположение рабочих поло­ стей в двигательной и насосной частях, возможно создание более 900 схем погружных агрегатов гидропоршневых насо­ сов. Число схем, реализованных в серийных или опытных образцах, невелико. В основном это агрегаты с двигателем и насосом двустороннего или дифференциального действия. Наи­ более простое Конструктивное решение агрегата возможно при двигателе и насосе дифференциального действия, агрегаты дву­ стороннего действия сложнее, но у них более высокий КПД и более плавный режим работы (скорости движения поршней вверх и вниз близки).

Р а с с м о т р и м н а и б о л е е п р о с т о й а г р е г а т д и ф ф е р е н ц и а л ь н о г о

П о г р у ж н о й а г р е г а т (р и с . 3 .4 ) с о с т о и т и з п о р ш н я и ц и л и н д р а д в и га т е л я 7, ш т о к а 2, с о е д и н я ю щ е г о п о р ш е н ь д в и га т е л я с п о р ш ­ н е м н а с о с а , з о л о т н и к а 3, п о р ш н я и ц и л и н д р а н а с о с а 4. П о к а н а ­ л у А р а б о ч а я ж и д к о с т ь п о с т у п а е т п о д п о р ш е н ь д в и га т е л я в п о ­ л о с ть Б, в к о т о р о й с о зд а е тс я п о с т о я н н о е д а в л е н и е р а б о ч е й п о -

1 а 2 3 4

лости. При положении поршней и золотника, указанном на ри­ сунке, полости Б и В (под и над поршнем двигателя) соединены друг с другом. Шток нижним своим концом выходит в полость насоса, где давление равно давлению столба откачиваемой жид­ кости. Давление рабочей жидкости больше, чем давление столба откачиваемой жидкости. На поршень двигателя сверху и снизу действует одинаковое давление рабочей жидкости. На поршень насоса сверху и снизу действует давление столба откачиваемой жидкости. На шток сверху действует давление рабочей жидко­ сти, а снизу — откачиваемой жидкости. Таким образом, созда­ ется сила, действующая на шток сверху вниз и продвигающая всю поршневую группу вниз. Происходит переток отбираемой жидкости из полости Д через нагнетательный клапан в по­ лость Г над поршнем насоса. Всасывающий клапан насоса в это время закрыт. При этом часть откачиваемой жидкости в объеме

штока, входящего в цилиндр насоса, выталкивается в подъем­ ный канал.

В крайнем нижнем положении поршней продольная канав­ ка на верхней части штока соединяет полость Б с камерой под золотником Е. Поскольку нижняя головка золотника диамет­ ром больше, чем верхняя, а давление над и под золотником одинаково и равно давлению рабочей жидкости, золотник под

действием разности сил (произведение давления на площадь) поднимается в верхнее положение и сообщает каналы Б и С. Таким образом, полость Б сообщается с полостью Г, над порш­ нем двигателя устанавливается давление столба откачиваемой жидкости. Под поршнем двигателя, в полости Б, остается по­ стоянное давление рабочей жидкости. В результате на поршень двигателя начинает действовать сила, обусловленная разностью давлений в полостях Б и В, и поршневая группа начинает дви­ жение вверх.

У насоса закрывается нагнетательный и открывается всасы­ вающий клапаны. Происходит всасывание жидкости из полости скважины в цилиндр насоса (в полость Д). В крайнем верхнем положении продольная канавка, расположенная в нижней части штока, соединяет полость Е у золотника с полостью Г. Давление под золотником падает до давления столба откачиваемой жид­ кости. Над золотником действует высокое давление рабочей жидкости. Под действием перепада давления золотник передви­ гается в нижнее положение, показанное на рис. 3.4. После этого рабочий цикл погружного агрегата повторяется.

Конструкция погружного агрегата имеет следующие особен­ ности. Поршни двигателя и насоса выполнены из стали с по­ крытием их поверхности хромом. Слой хрома толщиной около 0,07 мм отличается высокой твердостью и хорошей износоус­ тойчивостью. Напомним, что обычное декоративное покрытие имеет меньшую толщину хрома (около 0,012—0,02 мм).

Цилиндры двигателя и насоса составлены из стальных втулок (сталь марки 38ХМЮА) с азотированной внутренней поверхнос­ тью. Образующиеся при азотировании карбиды позволяют повы­ сить твердость поверхности втулок до 80 по шкале HRA. В ре­ зультате в гидропоршневых насосах используется наиболее изно­ соустойчивая пара трения. Такие же пары используются в штан­ говых насосах при особо тяжелых условиях их эксплуатации.

Уплотнения подвижных деталей в агрегате щелевые. Они рас­ положены между золотником и штоком, золотником и корпу­ сом золотника, корпусом под золотники и штоком.

Каналы А, Б, С при сбрасываемом погружном агрегате разме­ щены в седле, спускаемом на НКТ. Это позволяет увеличить ди­ аметры поршней агрегатов. Разобщение каналов осуществляется резиновыми манжетами, размещенными на погружном агрегате.

Клапаны насосной части шаровые (шар и седло). Они те же, что и в штанговых насосах (см. гл. 2 настоящей книги).

Длина хода поршней у погружных агрегатов гидропоршневых насосов достигает 1 м, число ходов в минуту — 30—60.

Погружной агрегат, сбрасываемый в НКТ диаметром 73 мм, имеет внешний диаметр 58 мм и длину около 4 м.

Скважина для гидропоршневых насосных установок обору­ дуется двумя колоннами НКТ, спускаемыми концентрично или параллельно, или одной колонной НКТ и пакером, уплотняю­ щим пространство между НКТ и обсадной колонной. Таким образом, образуются два канала — один для подъема смеси до­ бываемой жидкости и отработанной рабочей жидкости (НКТ или пространство между НКТ и обсадной колонной), другой — для рабочей жидкости (НКТ).

В случае использования замкнутой системы циркуляции ра­ бочей жидкости требуется спуск еще одной колонны НКТ.

При трубном варианте погружной агрегат спускается в скважину на НКТ. При сбрасываемом агрегате на НКТ спус­ кается седло для установки агрегата и под ним обратный ша­ ровой клапан, позволяющий осуществить обратный поток ра­ бочей жидкости при подъеме сбрасываемого погружного аг­ регата.

Опыт работы в нашей стране с отечественными установками гидропоршневых насосов показал, что сбрасываемые погруж­ ные агрегаты могут работать в среднем с межремонтным перио­ дом около 9 месяцев (270 сут). Подъем их производился без подъе­ ма труб — жидкостью. НКТ и пакеры не поднимались по не­ сколько лет. Ожидалось, что подъем добываемой жидкости по обсадной колонне (при установке пакера) может привести к от­ ложению парафина на обсадных трубах и осложнениям при подъеме НКТ и пакера. Однако опыт эксплуатации показал не­ состоятельность такого опасения. Смешивание добытой и рабо­ чей жидкостей при подъеме их по обсадной колонне приводило к снижению относительного содержания газа, а также смол и парафинов в смеси и к незначительному отложению их на об­ садных трубах. Такие результаты были получены на месторожде­ ниях Башкирии, Татарии и Самарской области. Необходимо учи­ тывать, что большее, чем в этих районах, содержание в добыва­ емой жидкости смол и парафинов может привести к худшим

результатам. Поэтому в каждом частном случае необходимы анализ условий эксплуатации и обоснованный выбор схем обо­ рудования скважин.

Наземное оборудование состоит из оборудования устья, си­ лового насосного агрегата, оборудования для подготовки рабо­ чей жидкости, регулирующей и регистрирующей аппаратуры.

Оборудование устья имеет детали для подвески НКТ на ко­ лонной головке, многоходовой кран для направления рабочей и отбираемой жидкостей в соответствующие каналы при спуске, работе и подъеме погружного агрегата, пружинного ловителя, свободно сбрасываемого агрегата и мачты с талевой системой с ручным приводом для извлечения агрегата из скважины или спус­ ка его в скважину.

Силовой насосный агрегат состоит из насоса и его привода. Наиболее часто рименяется трехплунжерный насос. В нашей стране применяется насос с горизонтальным расположением цилиндров, в США некоторые фирмы используют насосы с вертикальным расположением цилиндров. Увеличенная скорость ходов плунжеров (около 400 в минуту) позволяет уменьшить га­ бариты насосов.

Насосы развивают давление от 16 до 30 МПа. Подача насосов достигает десятков литров в секунду. Параметры насосов зави­ сят от характеристики двигателя погружного агрегата и от того, является ли насос приводом индивидуальной установки (пред­ назначенной для одной скважины) или групповой установки (для нескольких скважин). Насосы подают к скважине жидкость, обычно нефть, очищенную от механических примесей и отде­ ленную от воды и газа. Есть примеры использования в качестве рабочей жидкости воды с присадками, обеспечивающими смаз­ ку трущихся частей оборудования.

Приводом насоса чаще всего служит электродвигатель. В не­ которых случаях выгодно применять газомотор, работающий на нефтяном газе. Это экономично, поскольку применяется деше­ вое топливо и, с другой стороны, газомотор позволяет легко из­ менять частоту вращения приводного вала силового насоса и регулировать таким образом его подачу.

Оборудование для подготовки рабочей жидкости (при незам­ кнутой ее циркуляции) имеет сепараторы для отделения газа, воды и механических примесей, отстойники, дозировочные на­

сосы, подогреватели. Обычно применяются сепараторы объем­ ного типа, вертикальные или горизонтальные, с подогревом по­ ступающей смеси для лучшей деэмульсации и снижения вязко­ сти смеси. После объемных сепараторов устанавливают батарею циклонных сепараторов для более тщательной очистки рабочей жидкости от газа и механических примесей. В некоторых уста­ новках применяют отстойники большой емкости.

Для улучшения деэмульсации смеси рабочей и добытой жидко­ стей и отделения воды в смесь иногда подают реагенты-деэмуль­ гаторы. Деэмульгаторы подаются в небольших объемах (десятки граммов на 1 м3 жидкости) дозировочными насосами с малыми подачами. Это обычно одноплунжерные насосы, имеющие регули­ руемую подачу. В качестве деэмульгаторов можно использовать неионогенный деэмульгатор дисолван и ПАВы различных марок.

В установках гидропоршневых насосов имеется возможность подачи деэмульгатора не только в поверхностную систему, но и в подготовленную рабочую жидкость, направляемую в скважи­ ну. В этом случае действие деэмульгатора проявляется уже по выходе жидкости из погружного двигателя в НКТ. Предупреж­ дается образование стойких высоковязких эмульсий, снижается гидравлическое сопротивление движению смеси в трубах, об­ легчается отделение воды в системе подготовки рабочей жидко­ сти и при подготовке товарной нефти.

Деэмульсация при подготовке рабочей жидкости и отделение воды облегчаются при подогреве жидкости. Подогреватели мо­ гут быть с теплоносителем в виде пара или горячей воды или электрическими в виде специальных лент, в изоляции которых уложены электропроводящие жилы с большим сопротивлением (из константана, нихрома и т.д.). Подогрев осуществляется в отстойниках или сепараторах, или в линиях, подводящих смесь от скважины к этим устройствам.

Система подготовки рабочей жидкости может включать все перечисленные части, а может быть и значительно упрощена в зависимости от конкретной характеристики добываемой жидко­ сти и климатических условий.

Опыт эксплуатации гидропоршневых насосов в нашей стране показал, что для нормальной работы погружного агрегата доста­ точно снизить содержание воды в рабочей жидкости до 5 % и механических примесей до 0,5—0,3 г/л.

Контроль за режимом работы установки гидропоршневого насоса, поддержание этого режима или изменение его осуще­ ствляются аппаратурой, включающей расходомер, манометр, стабилизатор режима, регулирующие вентили.

В агрегатах одностороннего действия (рис. 3.5, а) шток с дву­ мя поршнями совершает возвратно-поступательное движение в результате попеременной подачи жидкости из напорного трубо­ провода то в полость 3, то 4. Жидкость подается золотниковым устройством. В результате в насосе одинарного действия при ходе поршня вверх пластовая жидкость попадает через всасываю­ щий клапан 1 в полость 6, а при ходе поршня вниз вытесняется через нагнетательный клапан 2 в напорный трубопровод. Кла­ паны 1 и 2 самодействующие, обычно шарикового типа [69, 70].

14

Рис. 3.5. Схемы скважинных агрегатов одностороннего, двустороннего и дифференциального действия (слева-направо)

Полость 5 соединена с затрубным пространством с помощью отверстия, и при перемещении поршня вверх и вниз жидкость может свободно циркулировать.

В агрегатах двустороннего действия при перемещении порш­ ня насоса вверх пластовая жидкость попадает через клапан 1 в полость и вытесняется из полости 5 через клапан 2.

При ходе поршня вниз пластовая жидкость вытесняется из полости 6 через клапан 2 и поступает в полость 5 через клапан 1.

Таким образом, при каждом ходе поршня жидкость подается

внапорный трубопровод.

Вагрегатах с насосом дифференциального действия поршень

насоса выполнен сквозным с расположенным в нем нагнета­ тельным клапаном 2 При ходе поршня вниз всасывающий кла­ пан 1 закрыт, из полостей 5 и б в напорный трубопровод вытес­ няется объем жидкости, равный объему штока, находящегося в полостях, при ходе поршня вверх нагнетательный клапан 2 зак­ рыт, а всасывающий 1 открыт. В результате пластовая жидкость вытесняется из полости 5 в напорный трубопровод и поступает

вполость 6 [69, 70].

Внижней части труб устанавливается специальное седло,

ана устье — ловитель и специальная обвязка, позволяющая из­ менять направления потоков в колоннах насосно-компрессор­

ных труб.

Для спуска агрегата колонны труб заполняются жидкостью, после чего спускается агрегат, который под действием потока жидкости, подаваемой силовым насосом, опускается, устанав­ ливается на седле и фиксируется замком. После его установки поток жидкости начинает проходить через агрегат, и последний откачивает пластовую жидкость. Время спуска агрегата на сед­ ло, момент его установки и начало работы контролируются по показаниям манометра, установленного на нагнетательном пат­ рубке силового насоса.

Для подъема агрегата направление потоков жидкости в ко­ лоннах труб изменяется на противоположное посредством пере­ ключения четырехходового крана. При этом давление жидко­ сти, действующее на агрегат снизу, создает усилие, направлен­ ное вверх, которое извлекает агрегат из замка и перемещает его вверх к устью скважины.

Агрегат после достижения им устья захватывается специаль­ ным ловителем. При этом силовой насос, подающий рабочую жидкость, автоматически отключается, и операция заканчивает­ ся. Момент выпрессовки агрегата из замка и время подъема его на поверхность контролируются манометром.

Помимо перечисленных отличительных признаков установ­ ки отличаются конструктивным исполнением и взаимным рас­