книги / Скважинные насосные установки для добычи нефти

плунжерной группы для D/d = 56/32, НКТ 89/42 мм, Q = 0,001 м3/с:

а — КПД скважинного оборудования; б — подача скважинного насоса

Рис. 3.21. Графики зависимости коэффициентов потерь мощности на сжатие Кс и трение жидкости Кх

от длины хода плунжерной группы скважинного агрегата S,

к____________к____________

Для гидроштанговых установок с малыми длинами ходов (до S = 4—5 м) характерно более существенное снижение коэф­ фициента полезного действия Дг| = 0,12—0,20 при увеличении глубины спуска от 500 до 1500—2000 м.

Снижение эффективности объясняется ростом потерь мощ­ ности привода на сжатие жидкости в гидроштангах, так как при большей глубине спуска увеличивается и объем жидкости в гид­ роштангах.

Различия в значениях уменьшения КПД весьма существен­ ны, и это дает основание сделать вывод, что для добычи нефти из глубоких скважин необходимо применять скважинные насо­ сы с большой длиной хода от £ = 5 м и выше.

Этот факт объясняется тем, что уменьшение соотношения приводит к росту рабочего давления и затрат мощности при ходе плунжеров вверх, а увеличение его — соответственно к возрас­ танию рабочего давления и затрат мощности при ходе плунже­ ров вниз. Кроме того, возрастание значения у, связано с увели­ чением рабочего объема двигательного цилиндра, "что, в свою очередь, пропорционально скорости потока жидкости и Повы­ шению затрат мощности на преодоление гидравлического со­ противления в трубах.

Таким образом, при соотношении диаметров плунжеров £ = 1,48—1,78 вышеупомянутые потери мощности минималь­ ные, а коэффициент полезного действия скважинного оборудо­ вания максимальный.

Рекомендации. При конструировании гидроштанговых уста­ новок необходимо подбирать диаметры плунжеров скважинно­ го агрегата в соотношении, соответствующем указанному ин­ тервалу.

Одной из задач исследования энергетических показателей установки было определение оптимальной подачи рабочей жид­ кости поверхностным силовым насосом. Для этого была выпол­ нена серия оптимизационных расчетов гидродинамических и энергетических параметров при различных значениях подачи поверхностного насоса. Было установлено, что наибольший ко­ эффициент полезного действия скважинного оборудования дос­ тигается при подаче насоса в интервале от 0,9 до 1,22 л/с. Сни­ жение подачи менее Qai mln приводит к увеличению времени сжа­ тия жидкости, времени хода плунжерной группы, времени пол­ ного цикла и, следовательно, к ухудшению показателей эффек­ тивности. Возрастание подачи более С?смтах приводит к повыше­ нию скорости жидкости в трубах, а следовательно, к снижению эффективности.

Таким образом, для эффективной работы скважинного обо­ рудования рекомендуемый диапазон подачи рабочей жидкости составляет Qai = 0,9—1,22 л/с.

Одной из перспективных областей применения гидроштан­ говых установок является опробование скважин, где первооче­ редную роль приобретают такие факторы, как высокая монтажеспособность, транспортабельность, плавное в широких пре­ делах регулирование рабочих параметров установки.

При добыче высоковязкой битумной нефти гидроштанговые установки имеют следующие преимущества по сравнению с дру­ гими видами оборудования:

•обеспечивается движение плунжера скважинного насоса в двух направлениях, что достигается созданием избыточного дав­ ления наземным насосом у плунжера скважинного агрегата;

•при работе в скважинах с возможными парогазожидкост­ ными проявлениями глубинный агрегат не препятствует фонта­ нированию через скважинный насос;

•оборудование устья скважины собирается из узлов фон­ танной арматуры и обеспечивает надежность при выбросах;

•при добыче вязкой нефтяной массы в насосно-компрес­ сорных трубах возможно создание жидкостного подслоя, обес­ печивающего движение жидкости с незначительным гидродина­ мическим трением;

•простота конструкции, монтаж скважинного агрегата осу­ ществляется из стандартных узлов и деталей скважинных встав­ ных и невставных насосов, наземное оборудование имеет не­ большую массу и собирается из серийно выпускаемых узлов гид­ роаппаратуры;

•обеспечивается возможность плавного выхода на режим работы скважины с вязко-пластичными нефтями путем регули­ рования скорости движения плунжера.

3.4. ГИДРОИМПУЛЬСНЫЕ НАСОСНЫЕ УСТАНОВКИ

Конструкции гидроимпульсных насосов или как их называют в общепромышленной практике — гидротаранов были известны еще в прошлом столетии. Научно-конструкторс­ кий опыт разработки и применения гидротаранных насосов, гидроимпульсных насосов уходит далеко в годы прошлого века. На­ сосы таких конструкций всегда привлекали внимание ученых, изобретателей и новаторов в областях водоснабжения и подъема продукции нефтяных скважин.

Подъем больших объемов жидкости из скважин глубиной более 3000 м — очень трудная, но актуальная задача. Из имею­ щихся на вооружении в нефтяной промышленности техничес­ ких средств для подъема жидкости только гидропоршневые аг­

регаты могут обеспечить добычу нефти из больших глубин. Од­ нако, ввиду сложности и «прецизионности «в эксплуатации рабо­ чих узлов гидропоршневых насосов, в частности основных узлов глубинного агрегата «поршневой двигатель — плунжерный на­ сос», на практике эти установки не получили широкого распрос­ транения. Таким образом, нефтяная промышленность нуждается в разработке более простых и надежных глубиннонасосных уста­ новок, возможно, на основе новых принципов работы.

В этом направлении перспективен принцип прямого превра­ щения кинетической и упругой энергии силовой жидкости без промежуточных поршневых звеньев в полезную работу по подъе­ му жидкости из скважины при помощи глубинных гидроимпуль­ сных насосов.

Гидротаран изобретен в 1796 году французом И. Монгольфье (член Парижской академии наук и изобретатель воздушного шара). В 1797 году Монгольфье получил патент на свое изобретение и в 1799 году оно было представлено в Парижскую академию наук.

Гидротаран является насосом объемного типа, служащий для нагнетания жидкости с меньшей высоты на большую (известны примеры подъема гидротаранами жидкости на высоту 200 м) или подачи ее по горизонтали на большие расстояния (3—5 и более километров).

Наибольшая высота падения (высота расположения питатель­ ного бака относительно гидротарана) ничем не ограничена, т.к. сила гидравлического удара от нее не зависит. Сила удара зави­ сит главным образом от скорости, закрывающей ударный кла­ пан, которую можно регулировать весом ударного клапана. Наи­ меньшая высота падения, которую может использовать гидрота­ ран, исчисляется сантиметрами, но обычно предпочитают не ставить тараны при высоте падения меньше 1 м.

Предел высоты нагнетания зависит от давления в колпаке, от потерь в нагнетательной нише и может быть легко определен для каждого конкретного случая. Высота нагнетания в большей сте­ пени зависит от прочности тарана (колпака) и труб. Минималь­ ная высота нагнетания может быть равна нулю или вообще быть меньше высоты падения, если цель установки тарана заключает­ ся не в подъеме жидкости, а в подаче ее почти по горизонтали.

Работа гидротаранной установки (как и гидроимпульсного насоса) основана на принципе преобразования энергии упругих

волн силовой жидкости, возникающих при гидравлических им­ пульсах, в полезную работу.

Гидравлический таран особенно оригинален автоматичнос­ тью работы при крайне простом устройстве. Здесь не требуются специальные приспособления для автоматической работы, так как это «органическое» свойство самого водоподъемника, осно­ ванное на понижении давления в питательном трубопроводе, вследствие чего открывается ударный клапан, и восстанавлива­ ется законченный цикл работы. При этом давление в трубе, хотя и на короткий промежуток времени, опускается ниже атмос­ ферного давления независимо от высоты питательного трубо­ провода.

Теория работы гидравлических таранов с несомненностью показывает возможность нормальной работы таранной установ­ ки при использовании высоты падения 20—40 м и больше, при­ меняя достаточно прочные конструкции частей или специаль­ ные компенсаторы, смягчающие силу гидравлического удара, нисколько не считаясь с атмосферным давлением.

Процесс работы гидротаранной установки включает следующее:

1.Гидравлический таран является водоподъемником в кото­ ром двигатель и насос объединены в одной машине очень про­ стой конструкции, к тому же работающей автоматически. Дви­ жущиеся части тарана — два клапана — установлены так, что повышение давления в питательной трубе закрывает ударный клапан и открывает нагнетательный, а понижение давления дей­ ствует в обратном порядке.

2.Смысл работы тарана в том, что он поднимает объем воды Q2на высоту Я2, используя энергию объема жидкости Q, находя­ щегося на высоте Я, < Н2. При этом объем воды Q{ выливается наружу. Следовательно, таран, нагнетая воду, работает тоже во­ дой, и для действия его необходим в единицу времени объем воды

расположенный выше тарана на Я, метров. Из всего погло­ щенного объема воды таран нагнетает только некоторую часть.

3. Элементы таранной установки — нагнетательный клапан, воздушный колпак и нагнетательная труба — являются обычны­ ми частями почти любой насосной установки. Работа их доста-

точно изучена и не представляет специального интереса. Элеч ментами, характеризующими гидравлический таран, как особую водоподъемную машину и присущими всякой таранной уста, новке, являются питательная труба и ударный клапан. Именн^ они предопределяют количественные и качественные показать, ли работы всей установки. Теория тарана по существу сводится к выявлению работы этих элементов. Следует усвоить, что пит^_ тельная труба не является просто проводящей трубой, а есть неотъемлемая рабочая часть машины, а размеры ее не могут быт^

произвольны.

4. Полный цикл работы тарана ясно разделяется на два х^_ рактерных периода. В первый — период разгона — жидкость в питательной трубе приобретает необходимую скорость V{, т.е разгоняется. Во второй — период нагнетания — происходит на­ гнетание жидкости из питательной трубы в колпак тарана п0д давлением Н за счет потери скорости Vr

Теоретические основы работы гидротаранов и гидроимпульсных насосов

Факт существования гидравлического удара был известен еще в XVIII веке, но правильная теория его была дана впервые про­ фессором Н. Е. Жуковским в 1897 году. Свои теоретические Вы­ воды Жуковский Н. Е. проверил и подтвердил специальными опытами, проведенными им в 1897—1898 годах над водопровод­ ными трубами. В 1898 году теория гидравлического удара была доложена Академии и впервые опубликована в 1899 году в «Бюл­ летенях Политехнического общества».

Опыты, проводимые Жуковским Н. Е. на Алексеевской водоводной станции в Москве полностью подтвердили правильность основных положений теории гидравлического удара.

Гидравлическим импульсом называют изменение давления в струе жидкости в трубах вследствие изменения скорости потока. При этом различают положительный гидравлический импульс, когда давление в трубопроводе повышается, и отрицательный гидравлический импульс, когда давление в трубопроводе падает.

Положительный импульс в трубе возникает в момент закры­ тия задвижки на выходе жидкости из длинной трубы, отрица-

тельный импульс — после закрытия задвижки у входа жидкости в хитинную трубу. Амплитуда давления гидравлического импуль­ са находится в пропорциональной зависимости от изменения скорости потока. Оказалось, что зависимость амплитуды давле­ ния гидравлического импульса от изменения скорости движе­ ния жидкости в жестких трубах определяется очень простой формулой:

где АР — амплитуда давления, Па; A W — изменение скорости жидкости, м/с; К0 — коэффициент волнового сопротивления жидкости, Н с/м3.

(3.12)

где р — плотность жидкости, кг/м3; Е — объемный модуль упругости жидкости, Н/м2.

Для упругого трубопровода:

\ + ET-Ad

где Ет— модуль упругости материала трубы, Н/м; d — внут­ ренний диаметр трубы, м; Ad — толщина стенки трубы, м.

Амплитуда давления гидравлического импульса распростра­ няется вдоль трубы со скоростью звука, м/с.

Рассмотрим процесс распространения гидравлического им­ пульса в условиях, приближенных к работе гидроимпульсного на­ соса (рис. 3.23). В открытом конце трубы 1поддерживается посто­ янное давление. Амплитуда давления Ар исходного волнового