книги / Скважинные насосные установки для добычи нефти

ладающим фактором в этом случае становится увеличение вре­ мени обратного хода. Этот фактор может быть преодолен путем увеличения массы движущейся части скважинного агрегата. Рас­ четы показывают, что предельный угол наклона скважины на глубине установки насоса может достигать 45°, а кривизна ство­ ла скважины выше места установки скважинного агрегата не имеет существенного влияния на эффективность работы всей установки в целом.

Поверхностное силовое насосное оборудование расположено в блок-боксе, имеет небольшие размеры и массу, не требует со­ оружения специального фундамента, что дает возможность дос­ тигать высокой транспортабельности и удобства монтажа обору­ дования.

На промыслах объединения «Татнефть» проводились промыс­ ловые испытания установки гидроштангового насоса, разрабо­ танной в ГАНГ им. И. М. Губкина.

При разработке этой установки были учтены все достоин­ ства и недостатки известных современных отечественных и зару­ бежных конструкций гидроштанговых насосов. Скважинный на­ сосный агрегат состоит из двух вставных безвтулочных сква­ жинных насосов разных диаметров — НСВ2-56 и НСВ2-32. Плунжеры этих насосов соединены полым штоком диаметром 28 мм. Схема скважинного насосного агрегата гиштанговой ус­ тановки представлена на рис. 3.18. Скважинный насосный аг­ регат снабжен верхним и нижним тормозными устройствами, фильтром в нижней части насоса и шламоуловителем в верх­ ней части. Шламоуловитель предотвращает попадание окали­ ны и мусора из насосно-компрессорных труб в цилиндре верх­ него насоса и клапаны насоса.

Кроме того, в конструкции насоса имеется телескопический компенсатор относительных перемещений колонн труб за счет их удлинения от действия давления жидкости. Для испытаний гидроштангового насоса была подобрана одна из скважин Севе- ро-Альметьевской площади со значительным углом отклонения от вертикали ствола.

Величина кривизны ствола скважины в месте установки на­ соса достигала 6745', а максимальная кривизна ствола (6945') была на глубине 900 м. Кривизна ствола скважины НГДУ «Альметьевнефть» приведена ниже (табл. 3.6).

Рис. 3.18. Схема скважинного агрегата гидроштанговой установки ГАНГ им И. М. Губкина

У — полые штанги диаметром 42—35 мм; 2 — НКТ диаметром 89—76 мм; 3 — полость полых штанг, гидроштанга, 4 — полость НКТ, гидроштанга, 5 — кожух цилиндра' насоса НСВ2-56, 6 — полость цилиндра насоса НСВ2-56, 7— полость цилиндра насоса НСВ2-32; 8 — приемный клапан; 9 — плунжер диамет­ ром 56 мм, 10 — плунжер диаметром 32 мм; 11 — нагнетательный клапан; 12 — шламоуловитель; 13 — переводник замковой опоры; 14— фильтр; /5, 16— втулки; / 7 и 18— гай­ ки ограничительные; 19— гайка-перейодник; 20 — направляющий конус

Эта скважина с осложненными ус­ ловиями эксплуатации была подобра­ на намеренно с целью проверки воз­ можности использования ГШНУ при эксплуатации наклонно направленных скважин со значительным отклонени­ ем от вертикали.

До проведения промысловых испы­ таний гидроштангового насоса добыча нефти из этой скважины осуществля­ лась скважинным штанговым насосом НГН2-43, станком-качалкой СКб при периодическом режиме работы насоса (21ч — ожидание притока, 3 ч — рабо­ та насоса). По данным замеров подача составляла 2,2 м3/сут.

Скважинный гидроштанговый насос был спущен на полых насосных штан­ гах (42—35 мм) внутрь колонны насос­ но-компрессорных труб (89—76 мм) и установлен в замковой опоре насоса НСВ2-32 на глубине 1100 м. Для обес­ печения герметичности колони труб все резьбовые соединения перед сборкой

были обработаны специальной графитовой герметизирующей пастой. После монтажа насоса в замковой опоре было установ­ лено, что посадка в опоре не обеспечена, поэтому полная посад­ ка в опору и герметизация были достигнуты путем гидравличес­ кого воздействия на центральную колонну труб. После этого насосный агрегат был надежно зафиксирован и полости труб загерметизированы.

На устье скважины колонна насосно-компрессорных труб и полых насосных штанг была оборудована стандартным устье­ вым сальником СУС-42 для полых насосных штанг, затем была подключена через линии коммуникации к поверхностному си­ ловому насосному блоку. Насосный блок был установлен на рас­ стоянии 20 м от устья.

Силовой насосный блок до монтажа на скважине предвари­ тельно был опробован в мастерских в стендовом режиме [73].

На стенде были испытаны различные типы гидрораспредели­ телей, определены перепады давления в гидромаслоразделителях, отлажена и испытана система управления установкой и си­ стема компенсации утечек, кроме этого, было спрессовано по­ верхностное оборудование и исследованы некоторые энергети­ ческие показатели установки.

После обвязки устья и поверхностного силового насосного оборудования установка была запущена в работу. Частоту двой­ ных ходов плунжерной группы изменяли путем регулирования потока рабочей жидкости дроссельными устройствами или регу­ ляторами потока. В качестве рабочей жидкости было использо­ вано индустриальное масло И-20, ГОСТ 1707-51. Частоту цикла работы насоса изменяли в процессе испытаний в пределах от 1 до 3,5 в минуту.

Промысловые испытания установки гидроштангового насоса включали следующие этапы:

опрессовку наземного оборудования и линий коммуника­ ций шестеренным маслонасосом TGL А-100;

настройку и проверку аварийной защиты установки по давлению и току; настройку и проверку взаимодействия узлов гидроаппара­

туры и скважинного насосного агрегата; проверку регулировочных устройств;

работу установки гидроштангового насоса на различных режимах с различными системами управления; исследование работы установки на различных энергети­ ческих режимах; регистрацию рабочих параметров насосной установки с помо­

щью современной электронной тензометрической аппаратуры; исследование рабочего процесса гидроштангового насоса. В процессе испытаний гидроштангового насоса был выпол­ нен полный комплекс научно-исследовательских работ по изучению рабочего процесса, работоспособности насосной установки и отдельных узлов гидроаппаратуры. При прове­ дении испытаний установка запускалась и работала с вклю­ чением в линию нагнетания пневмокомпенсатора и при от­ ключенном пневмокомпенсаторе.

При отключенном пневмокомпенсаторе в момент реверсиро­ вания потоков рабочей жидкости гидрораспределителем во всей гидросистеме наблюдался значительный гидравлический удар. При подключении к гидросистеме пневмокомпенсатора гидрав­ лические удары были устранены.

В поверхностном силовом насосном блоке предусмотрена система компенсации утечек (СКУ) воды в колонне насосно­ компрессорных труб. В состав СКУ входит один дозаторный мо­ ноблочный насос НД-КХУ63.

Число двойных ходов в мин............................................... 76,7

Автоматическое переключение золотника-распределителя выполнялось с помощью различных систем управления рабоче­ го процесса по сигналам от предварительно настроенных реле давления и реле времени, а также по сигналу от электроконтактных манометров.

При исследовании процесса проводилась регистрация рабочих па­ раметров установки с помощью шлейфового осциллографа Н-117/1.

Осциллограмма рабочего процесса установки гидроштанго­ вого насоса, приведенная на рис. 3.19 была получена в первый год испытания насоса в скважине. Подробное исследование ос­ циллограммы позволило установить следующее.

Рис. 3.19. Осциллограмма рабочего процесса гидроштангового насоса

I — переключение распределителя;

II — сжатие гидроштанги кольцевого сечения

Переключение золотника-распределителя происходит в тече­ ние времени /пер = 0,2—1 с, что наглядно можно наблюдать в интервале времени от 14 до 15 с при переключении с хода вверх на ход вниз и в интервале от 24 до 25 с при переключении с хода вниз на ход вверх. По осциллограмме нарастание давления на ту же величину происходит в течение 0,9—1,2 с. Затем наступает период сжатия гидравлического столба жидкости. Предварительно проведенные исследования и расчеты показывают, что время сжатия гидроштанги находится в пределах 1—6 с. Исходя из ос­ циллограммы можно утверждать, что время сжатия гидроштанги 1—4 с при ходе ПГ вверх и 1—2 с при обратном ходе вниз.

По окончании процесса сжатия и достижении давления, не­ обходимого для начала движения, ПГ страгивается из состояния покоя из крайне нижнего положения. По осциллограмме это происходит в момент времени t — 4,5 с при давлении в гидроси­ стеме Р — 2,5 МПа.

В момент времени t — 10,5 с, т.е. через 6 с после начала дви­ жения, ПГ останавливается в специальном тормозном устрой­ стве, а в гидросистеме продолжает нарастать давление жидко­ сти до величины давления настройки реле, которое в момент времени t = 14 с подает сигнал на переключение золотникараспределителя. Золотник при переключении (в среднем своем положении) соединяет между собой обе гидроштанги. Этим выз­

вано резкое возрастание давления. Затем начинается обратный ход ПГ, которая разгоняется и движется с некоторым ускоре­ нием. Подробный анализ осциллограммы показал, что после начала движения вниз ПГ движется под действием давления, создаваемого силовым насосом до момента времени t = 16 с (т.е. в течение 1,2 с), а далее с ускорением, несколько опережая подачу жидкости в гидроштангу. Это наглядно можно наблю­ дать в интервале времени от 16 до 18 с по некоторому падению давления на поверхности, зарегистрированному на осциллограм­ ме. Затем ПГ останавливается, происходит резкое возрастание давления и переключение золотника-распределителя. Далее весь процесс повторяется.

Таким образом, расчетные параметры гидроштангового насо­ са вполне сопоставимы с данными, полученными при проведе­ нии экспериментальных исследований в промысловых условиях.

Во время промысловых испытаний на установке проводились также экспериментальные исследования различных систем уп­ равления с целью получения циклограмм рабочего процесса СГШНУ при различных системах управления, определения вли­ яния параметров настройки систем управления на работу СГШНУ и оптимизации системы управления работой СГШНУ при введе­ нии различных конструктивных и технологических изменений.

На первом этапе проводились исследования со следящей си­ стемой управления. Была разработана электрогидравлическая следящая система управления, позволявшая регистрировать с помощью датчиков давления или электроконтактных маномет­ ров возмущения в гидроштанге, возникающие при остановках плунжера в крайних положениях.

На представленных осциллограммах были видны гидроуда­ ры, соответствующие остановке поршня в крайних положениях во время / — 24 с.

Данная система управления показала хорошую работоспособ­ ность, однако она не лишена и существенного недостатка, кото­ рый должен быть в будущем учтен при проектировании устано­ вок с подобной системой управления.

Использование следящей системы управления при наличии в установке двух гидроштанг приводит к тому, что в момент пере­ ключения происходит частичный переброс давления в гидро­ штангах и в результате этого датчик давления, установленный

на меньшую величину, срабатывает. Это влечет за собой повтор­ ное переключение, вследствие чего установка начинает работать в аварийном режиме автоколебаний.

Затем была испытана детерминированная система управ­ ления с использованием реле времени, с помощью которой удалось избежать работы установки в режиме автоколебаний. Но при использовании системы управления данного типа воз­ никают дополнительные трудности в настройке, если нет пред­ варительно снятой осциллограммы работы установки. Это свя­ зано с трудностями точного подсчета времени цикла, так как во время работы установки ПГ в разных циклах достигает крайних положений не в одно и то же время, на которое детерминиро­ ванная система управления реагировать не может.

Детерминированная система управления с использованием реле времени может более успешно применяться в установках такого типа. Одним из существенных ее преимуществ является простота конструкции и эксплуатации.

После полного анализа результатов испытаний следящей и детерминированной систем управления была разработана ком­ бинированная система управления, назначение которой улавли­ вать с помощью датчиков давления возмущения в гидроштанге, свидетельствующие о начале движения ПГ, после чего переда­ вать сигнал на реле времени для отслеживания установившегося движения до крайнего положения.

Гидроштанговая насосная установка по схеме, разработанной в ГАНГ им. И. М. Губкина, была изготовлена и прошла промыс­ ловые испытания, которые доказали ее работоспособность и под­ твердили теоретически полученные рабочие характеристики.

Одна из конструкций гидроштанговых насосных установок на основе схемы ГАНГ им. И. М. Губкина была изготовлена и реализована на заводе «Нефтемаш» в г. Тюмени. Установка гид­ роштангового насоса состоит из поверхностного и скважинного оборудования, соединенных линиями коммуникаций.

Преимущество данной установки заключается в том, что ус­ тановка позволяет плавно изменять подачу скважинного насоса путем регулирования подачи рабочей жидкости с помощью ре­ гулятора потока.

Гидроштанговая установка позволяет эксплуатировать сква­ жины малых и средних дебитов со значительной кривизной ство­

ла, где применение штанговых насосов и ЭЦН практически не­ возможно. Так, по данным АО «Нижневартовскнефтегаз» коли­ чество малодебитных скважин (до 25 м3/сут) составляет около 40 % от общего числа эксплуатируемых скважин и их количе­ ство увеличивается.

3.3.3. Некоторые теоретические и расчетные зависимости рабочего процесса гидроштангового насоса

Рабочее давление силового поверхностного насо­ са определяется по следующей зависимости

где Рси — давление силового насоса; Н — глубина спуска на­ соса; #д — динамический уровень; рт — плотность тяжелой жид­ кости; рдж— плотность добываемой жидкости; Gnr — масса плун­ жерной группы; / н, / д — площади поперечного сечения плунже­ ров насоса и двигателя.

Подъемная сила скважинного гидроштангового насоса 970-1935 Н при давлении, необходимом для осуществления хода плунжерной группы вниз, от 1,8—2,2 до 3,8 МПа.

Несмотря на уменьшение числа циклов работы установки гидроштангового насоса по сравнению со станком-качалкой коэффициент подачи увеличивается в 1,5 раза, причем отноше­ ние величин п и S равно 0,8.

Для определения влияния увеличения длины хода плунжер­ ной группы на эффективность установки была выполнена серия оптимизационных расчетов гидродинамических и энергетичес­ ких параметров рабочего процесса.

При анализе результатов расчетов было установлено, что наи­ более интенсивное увеличение коэффициента полезного действия Дг) = 11 — 14 % наблюдается при увеличении длины хода плун­ жерной группы от 4 до 12 м. При дальнейшем увеличении дли­ ны хода от 12 м и далее интенсивность нарастания КПД снижа-

ется в 2—3 раза, Дг| = 0,03—0,07, а дальнейшее увеличение дли­ ны хода приводит к прямолинейности линии. На рис. 3.20 пока­ заны зависимости коэффициента полезного действия установки и подачи скважинного агрегата от длины хода, плунжерной груп­ пы при различных глубинах спуска насоса.

На рис. 3.21 приведены графики изменения коэффициентов потерь мощности привода на сжатие жидкости и потерь мощно­ сти на преодоление гидравлического трения жидкости от длины хода плунжерной группы. Анализ полученных зависимостей по­ казал, что наиболее существенное снижение потерь мощности привода на сжатие жидкости ДКс = 0,05—4,19 достигается при увеличении длины хода плунжерной группы в интервале от 4 до 12 м, а далее при увеличении длины значительно снижается и составляет ДАТ = 0,01—0,08.

При этом установлено, что коэффициент потерь мощности при­ вода на сжатие жидкости существенно изменяется в зависимости от глубины спуска насоса, причем с увеличением глубины спуска от 500 до 2000 м интенсивность снижения коэффициента потерь мощности возрастает от 0,06 до 0,19. Из вышеизложенного следу­ ет, что для снижения потерь мощности привода на сжатие жид­ кости в гидроштангах необходимо довести длину хода плунжер­ ной группы до S= 9—12 м, а дальнейшее увеличение длины хода не обеспечивает значительного повышения эффективности уста­ новки. Это подтверждает ранее полученные выводы и расчетные данные. Использование стандартных скважинных штанговых на­ сосов позволяет доступными средствами изготовить и собрать сква­ жинный агрегат с длиной хода S= 9 м, а так как длина безвтулочного цилиндра стандартного насоса S= 5,5 м, то агрегат собира­ ется из двух двигательных и двух насосных цилиндров.

Рост коэффициента гидравлических потерь при увеличении длины хода плунжерной группы в вышеприведенном интервале имеет меньшую интенсивность, чем коэффициент потерь мощ­ ности на сжатие.

При энергических исследованиях рабочего процесса было проанализировано изменение коэффициента полезного действия установки от глубины спуска насоса. При этом было выявлено, что для установок с большими длинами ходов (от S = 9 м и выше) характерно незначительное снижение эффективности на 0,5—0,11 при увеличении глубины спуска от 500 до 1500—3000 м.