книги / Скважинные насосные установки для добычи нефти

возвращающийся со скоростью звука к началу координат. Амп­ литуда скорости этого импульса равна +Aw. В интервале супер­ позиции исходного и отраженного импульсов суммарная амп­ литуда давления +Др + (-ДР) = 0, а суммарная амплитуда скоро­ сти +Aw + Aw = 2Aw. После выхода из трубы исходного импульса в ней наблюдается только отраженный отрицательный импульс давления с параметрами И (-ДР\ +Aw; -с), который в свою оче­ редь отражается от неподвижного поршня без изменения амп­ литуды давления и только после повторного отражения в откры­ том конце трубы приобретает амплитуду давления исходного импульса. Описанный процесс можно записать так:

Высокий КПД установки достигается при соблюдении до­ полнительных условий. Первое из них — это постоянная ско­ рость потока силовой жидкости в нагнетательной трубе, второе — своевременное переключение нагнетательного клапана.

В соответствии с принципом прямого превращения кинети­ ческой и потенциальной упругой энергии силовой жидкости в полезную работу в УкргипроНИИнефти в 70-х годах XX века был разработан гидроимпульсный насос. Рабочая схема гидро­ импульсного насоса основана на действии гидравлических тара­ нов и работе упругих волн, а также требовании полной ликвида­ ции ударных перегрузок НКТ. Отвечающая указанным требо­ ваниям схема гидроимпульсного насоса разработана и описа­ на Э. Б. Чекалюком и И. Н. Поливко*.

Работа гидроимпульсного насоса основана на принципе пре­ образования энергии упругих волн, индуцируемых в столбе жид­ кости в рабочих трубках, в полезную работу, в частности преоб­ разования энергии упругих волн силовой жидкости, возникаю­ щих при гидравлических импульсах (изменение давления в по­ токе жидкости в зависимости от скорости течения потока). При этом различают положительный гидравлический импульс, когда давление в трубопроводе повышается, и отрицательный, когда

*Труды УкргипроНИИнефть. — М.: Недра, 1976. — Вып.18. С. 147—148, 160— 163.

давление в трубопроводе падает. Подобные явления известны, глубоко изучены Н. Е. Жуковским, И. А. Парным и другими учеными. Рабочий цикл гидроимпульсного насоса разделяется на два полупериода: зарядки, когда расходуется силовая жид­ кость с постоянной скоростью, и разрядки, когда жидкость вса­ сывается из скважины с той же скоростью.

Оптимальным условием работы гидроимлульсного насоса яв­ ляется синхронизация частоты перемещения распределительно­ го устройства и волновых процессов в рабочих трубках. В этом случае подача установки зависит только от расхода силовой жид­ кости или от давления на силовом насосе, поскольку гидравли­ ческие потери являются также функцией расхода. Гидравличес­ кие потери установки суммируются из потерь в рабочих узлах глубинного агрегата и потерь в подводящем канале (трубопро­ водах, НКТ).

Оптимальная синхронизация работы распределительного кла­ пана и собственной частоты колебаний жидкости в рабочих труб­ ках возможна, если перемещение распределительного клапана управляется импульсами. Неустойчивость распределительного клапана 9 в крайних положениях возникает вследствие закреп­ ления на нем шайбы 13. В любом крайнем положении клапана один из отводных каналов А для жидкости закрыт, и весь поток проходит через противоположный поток Б. В радиальной щели скорость потока возрастает, а давление снижается. С противо­ положной стороны шайбы жидкость находится в покое, поэто­ му там нет перепада давления. Длина рабочих трубок подбира­ ется и рассчитывается так, чтобы продолжительность переклю­ чения составляла 1—3% рабочего цикла. Этому способствует также уменьшение щели, снижение массы распределительного клапана с шайбой путем применения легких полимерных мате­ риалов. Рабочие трубки, поочередно соединяясь с нагнетатель­ ной трубой при помощи распределительного клапана, получают от силовой жидкости импульсную энергию, которая после от­ ключения рабочих трубок от нагнетательной трубы превращает­ ся в полезную работу по подъему жидкости из скважины через нагнетательные клапаны.

Исследованиям рабочих характеристик гидроимпульсного насо­ са были посвящены многие работы Э. Б. Чекалюка, И. Н. Поливко, И. Н. Антоненко, С. Г Просвирова и др.

В ВолгоградНИПИнефть были проведены исследования рас_ пределительного клапана гидроимпульсного насоса (ГИН). 3*. сперименты проводили на натурном образце распределитель^, го клапана при различной суммарной площади сечений дрос_ сельных отверстий и разных размерах хода клапана. ДавлецИе измеряли образцовыми манометрами на входе и выходе распре_ делительного узла.

Технические характеристики гидроимпульсного насоса, ра3_ работанного в Волгограде ЗАО «ПАРМ-ГИНС», приведены ни*е

Помимо сказанного в предыдущих главах, в качестве выво­ дов будет уместно указать те преимущества, которыми обладает гидроимпульсный насос по сравнению с существующими типа­ ми насосов:

1) отсутствие в стволе скважины длинной механической свя­ зи глубинного агрегата с наземным приводом (ШСНУ) или элек­ трокабеля (УЭЦН);

2)возможность использования потоков рабочей жидкости не только для передачи энергии для привода забойного агрегата, но и для проведения многих технологических операций, например, пе­ редачи к забою химических реагентов, тепла, растворителей и т.д.;

3)возможность осуществления наземного группового приво­ да на кустах скважин, что позволяет увеличить технологические возможности.

К очевидным недостаткам можно отнести неотработанность конструкций гидроимпульсных насосных установок.

3.5. ТУРБОНАСОСНЫЕ УСТАНОВКИ

Турбонасосные установки предназначены для до­ бычи нефти из скважин средних и высоких дебитов и представ­ ляет собой сложный агрегат с лопастной турбиной и центробеж­ ным насосом (рис. 3.24).

Турбонасосный агрегат включает в себя лопастную турбину, вал которой соединен с валом центробежного насоса. Турбина приво­ дится в действие при закачке в нее с поверхности рабочей жидко­ сти. Центробежный насос отбирает из скважины жидкость и на­ гнетает ее на поверхность. Рабочая жидкость, отработавшая в тур­ бине, выходит в тот же канал, что и добытая жидкость, и в смеси с ней поднимается на поверхность. На поверхности смесь разделяет­ ся, и добытая жидкость с нефтью идет в промысловую сеть, а рабо­ чая жидкость (в большинстве случаев вода) поступает в поверхно­ стный насос и далее в скважину для привода погружной турбины.

Такие насосы предназначены для отбора больших количеств жидкости из скважин (400—500 м3/сут и более) с относительно малых глубин (в опытных образцах 200—1000 м).

Преимущество такой насосной установки — возможность от­ бора больших количеств жидкости из скважины при достаточно

Рис. 3.24. Турбонасосная установка для добычи нефти.

/ — система очистки и подготовки рабочей жидкости; 2 — силовой насос; 3 — устье­ вая арматура; 4 — скважина; 5 — колонна труб; 6 — турбина; 7 — центробежный на­ сос; 8 — пакер

высокой эффективности (КПД око­ ло 0,3—0,25). При этом возможна эк­ сплуатация наклонно-направленных скважин. Установка может быть вы­ полнена сбрасываемой в скважину при увеличенной частоте вращения вала. Это существенно снижает объем ремонтных работ на скважине.

Однако недостатки этой установ­ ки пока не преодолены. Большие объемы рабочей жидкости, закачива­ емой в скважину, требуют обустрой­ ства ее каналами со значительными проходными сечениями. В скважинах с обсадными колоннами диаметром 146 и 168 мм это трудновыполнимо. На поверхности необходимо органи­ зовать очистку и подготовку больших количеств рабочей жидкости, что при­ водит к установке металлоемкого обо­ рудования, требует затрат на его об­ служивание.

Фирма Weir Pumps (Великобритания) разработала несколько типоразмеров турбонасосов, рабочие параметры которых приве­ дены ниже.

Кроме того, существуют особые конструкции турбонасосов для работы при более высоких температурах.

Турбонасосы имеют следующие преимущества:

—отсутствие погружного электродвигателя и кабеля исключает все сложности выполнения спускоподъемных операций в сква­ жинах со значительной кривизной ствола, позволяет исполь­ зовать турбонасосы для подъема жидкостей с высокими тем­ пературами, в том числе из геотермальных скважин;

—незначительная габаритная длина скважинного агрегата по сравнению с электроприводными центробежными насосами дает возможность применять его в скважинах с большой ин­ тенсивностью набора кривизны, облегчает транспортные и монтажные, работы;

—отсутствие клапанов в скважинном насосном агрегате обуслов­ ливает использование турбонасоса практически, без ограниче­ ний по кривизне ствола скважин вплоть до горизонтальных;

—подшипники насоса и турбины гидростатического типа, что обеспечивает прочную и надежную работу опоры ротора аг­ регата; смазка подшипников выполняется предварительно очи­ щенной и подготовленной жидкостью, что защищает подшип­ ники от воздействия абразивных компонентов скважинной жидкости;

—гибкость регулирования рабочих характеристик, широкий ра­ бочий диапазон плавного изменения подачи насоса;

—возможность применения скважинного турбонасосного агре­ гата сбрасываемого типа;

—неограниченность глубины спуска турбонасоса;

—в скважину могут вводиться различные химические реагенты, ингибиторы коррозии, деэмульгаторы и др.;

—можно применить различные методы глушения скважин пе­ ред подземным ремонтом, в том числе при нахождении тур­ бонасосного агрегата в скважине.

Для спуска турбонасосного агрегата в скважину используют­ ся стандартные НКТ и оборудование, применяемые в нефтяной промышленности. Силовые поверхностные насосы выбираются из множества стандартных насосов компании Weir Pumps' таким образом, чтобы обеспечивать любой эксплуатационный режим скважинного турбонасосного агрегата. Как и скважинные на­ сосные агрегаты, поверхностные силовые насосы разработаны и

изготовляются с использованием новейших технологий. Эти За­ сосы практически безотказны в работе на нефтяных промыслах, Наиболее часто применяются следующие типы поверхностных установок:

•силовой насос поверхностный с подачей рабочей жидко­ сти до 56 м3/ч, давлением до 42,7 МПа, предназначенный для обеспечения работы скважинных турбонасосов в од­ ной или двух спаренных скважинах (турбонасосы исполь­ зуются на промыслах Forties компании British PetroLeuni); силовой поверхностный насос с подачей рабочей жидко­ сти до 110 м3/ч, давлением до 45,7 МПа, для работы сква­ жинных турбонасосов на групповых установках' (турбона­ сосы используются на промыслах AUK компании SheLL);

силовой поверхностный насос серии ОК с большой пода­ чей рабочей жидкости до 3400 м3/сут, давлением до 40 МПа, применяемый не только для привода турбонасосов, но и для одновременного нагнетания жидкости в пласт (насосы используются на нефтяных промыслах Северной Африки).

Параметры выпускаемых фирмой Weir Pumps турбин и насо­ сов для эффективного подъема нефти из скважин диаметром 127...300 мм и глубиной до 2500 м приведены в табл. 3.8.

Для изготовления узлов и деталей турбонасоса использованы материалы, обеспечивающие максимальную коррозионную из­ носоустойчивость. Наружный корпус турбонасоса и рабочие ко­ леса изготовлены из легированных сталей с высоким содержа­ нием хрома. Рабочие элементы статора и ротора турбины, втул­ ки и кольца, а также подшипники, изготовлены из стеллита (ко­ бальтохромовольфрамовая сталь). Вал изготовляется из сплава К-монель К-500 с пределом текучести 1560,8...1120 МПа.

В отличие от скважинных электроприводных центробежных насосов с постоянной частотой вращения вала частоту враще­ ния и подачу турбонасосных агрегатов можно варьировать в за­ висимости от эксплуатационных характеристик скважины и пла­ ста. Это достигается изменением подачи жидкости силового по­ верхностного насоса. Для глубоких скважин при использовании турбонасосов характерно высокое давление, а для скважин с. малыми глубинами спуска — более низкие давления и большие подачи. По специальным таблицам и диаграммам можно подо-

брать необходимые параметры и типоразмеры турбонасосов и поверхностных силовых насосов исходя из эксплуатационных условий.

Спуск — подъем скважинного агрегата может выполняться либо на насосно-компрессорных трубах, либо на канате, либо свободным сбрасыванием в сочетании с гидроприводом. Подвод рабочей жидкости может осуществляться как по НКТ (прямая схема), так и по кольцевому межтрубному пространству (обрат­ ная схема). Жидкость может поступать в скважину из системы поддержания пластового давления.,

К недостаткам этой системы следует отнести необходимость очистки, дегазации и подготовки большого количества жидко­ сти, что приводит к увеличению металлоемкости поверхностно­ го оборудования и соответственно к увеличению капитальных и эксплуатационных затрат на обслуживание.

Необходимо также отметить перспективность этого вида обо­ рудования на морских промысловых платформах и в труднодос­

тупных районах.

В последние десятилетия фирмой Kobe создавались турбонасосные агрегаты свободно сбрасываемого типа, которые подобно гидропоршневым насосным агрегатам можно спускать или подни­ мать из скважины с помощью жидкости. Наземное оборудование турбонасосной установки аналогично наземной части гидропорш­ невых и струйных установок фирмы Kobe. Турбонасосы фирмы Kobe с аксиальными рабочими ступенями насосов и турбин рас­ считаны на частоты вращения вала 10000—65000 мин'1и перепады давления рабочей жидкости в турбинах до 28 МПа, что обусловли­ вает их повышенную чувствительность к мехпримесям в жидкости.

В установках фирмы Kobe система подготовки рабочей жидко­ сти для привода турбины и смазки (тонкая очистка) двухступенча­ тая. Первая стадия очистки реализуется на поверхности, вторая — в глубинном агрегате, в специальном центробежном устройстве тонкой очистки. Из него чистая жидкость распределяется для смаз­ ки всех подшипников турбины и насоса. Упорный подшипник размещен между турбиной и насосом. К двум сторонам его через диафрагмы под высоким давлением подводится смазывающая жид­ кость, что обеспечивает осевое усилие, эффективно противодей­ ствующее неуравновешенным осевым нагрузкам в турбомашине.

Конструктивно каналы для смазочной жидкости выполнены в виде продольных прорезей в соответствующих кожухах агрегата, корпус которого состоит из коротких секций, соединенных муф­ той. В корпусе размещены центрирующие секции турбины и на­ соса. Максимальный КПД агрегата диаметром 59 мм несколько выше 0,5. С увеличением перепада давления в турбине область режимов работы с высоким КПД существенно расширяется. Уве­ личить напор насоса можно снижением подачи или изменением перепада давления в турбине. Последнее позволяет также сокра­ тить расход рабочей жидкости, затраты на ее подготовку и гидрав­ лические потери в системе, т.е. повысить эффективность в целом. Максимальная расчетная подача турбонасоса диаметром 59 мм со­ ставляет 800 м3/сут, диаметром 73 мм — 1600 м3/сут, диаметром 100 мм — 4000 м3/сут. Длительные промысловые испытания турбонасосных агрегатов фирмы Kobe диаметром 59 мм подтвердили принципиальную работоспособность скважинного оборудования.