Установки погружных винтовых электронасосов
.pdfvk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
кН; 3,0 – наибольшая длина хода устьевого штока, м; 4000 – наибольший допускаемый крутящий момент Мкр.max на ведомом валу редуктора, умноженный на 10-2 кН∙м.
Имеющаяся моноблочная конструкция небольшой массы делает возможным её быструю доставку (даже вертолетом) и установку без фундамента (непосредственно на верхнем фланце трубной головки) в самых труднодоступных регионах, позволяет осуществить быстрый демонтаж и проведение ремонта скважинного оборудования.
Фактически бесступенчатое регулирование длины хода и числа двойных ходов в широком интервале позволяет выбрать наиболее удобный режим работы и существенно увеличивает срок службы подземного оборудования.
Введение к лекции 7
Одной из основных тенденций развития штанговых скважинных установок является увеличение длины хода точки подвеса штанг, что улучшает основные показатели установки, ее долговечности и подачу. Однако увеличение длины хода различным образом влияет на изменение параметров ее отдельных элементов: привода, колонны штанг, труб, скважинного насоса, устьевого оборудования.
При увеличении длины хода показатели всех элементов установки улучшаются за исключением показателей привода, если он выполняется на базе установок, имеющих кривошипно-шатунный механизм.
ЛЕКЦИЯ 7 Штанговые насосные установки с гидроприводом
Как и любой привод штангового скважинного насоса, гидравлический привод может состоять из следующих блоков: силового органа, уравновешивающего устройства, блока привода с коммутирующим устройством, а кроме того, специфичных, характерных только для гидропривода блоков, – систем компенсации утечек и реверсирования. Силовой орган соединяется колонной штанг со скважинным насосом, спущенным в эксплуатационную колонну на колонне НКТ.
Вгидроприводных установках используются те же способы уравновешивания, что
ив механических.
Принципиально эти установки отличаются способом передачи энергии от двигателя к силовому органу и уравновешивающему устройству. Гидравлическая передача, особенно с объемным гидроприводом, обеспечивает высокое «передаточное отношение» привода при сравнительно небольших его размерах и массе, а также резко упрощает кинематическую схему. При этом становится возможным вообще исключить механизм преобразования движения (четырехзвенннк балансирного станка-качалки), избавиться от редуктора, тормоза и т. д.
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
Вгидроприводных установках в качестве силового органа-узла для перемещения колонны штанг, как правило, используются гидравлические цилиндры, а реже – реверсивные гидромоторы. В первом случае шток цилиндра соединяется непосредственно
сустьевым штоком колонны штанг, а во втором с помощью гибкой подвески (например, цепной), переброшенной через звездочку, установленную на валу гидромотора.
Уравновешивающее устройство аккумулирует потенциальную энергию либо поднимаемого груза, либо сжатого газа, либо колонны штанг соседней скважины или, наконец, кинетическую энергию маховика.
Блок привода обычно представляет собой двигатель соединенный непосредственно
свалом силового насоса, объемного или гидродинамического действия. В непосредственной близости от него располагается коммутирующее устройство (распределитель), переключающее потоки рабочей жидкости от силового насоса к силовому органу в периоды его реверсирования или остановки. В качестве коммутирующего устройства может использоваться золотниковый распределитель или собственно силовой насос, регулирующий подачу и реверсирующий направления потока жидкости.
Вгидроприводе ШСН используются гидросхемы трех типов: открытая, закрытая и комбинированная. В приводе с открытой гидросхемой бак с рабочей жидкостью находится под атмосферным давлением, а подпор на приеме силового насоса обусловлен разницей вертикальных координат бака и приемного патрубка силового насоса.
Вприводе с закрытой гидросхемой бак с рабочей жидкостью находится под давлением, соизмеримым с рабочим давлением насоса, это же давление действует на приеме силового насоса. Бак, работающий под избыточным давлением, может быть выполнен в виде отдельного блока, либо его функции выполняет пневматический аккумулятор, часть объема которого постоянно заполнена рабочей жидкостью.
Вприводе с комбинированной схемой часть узлов и аппаратов находится под действием постоянного давления, обусловленного давлением сжатого газа в аккумуляторе, а часть – под атмосферным давлением.
Силовым блоком управляет система реверсирования – либо гидравлическая, либо механическая. В первом случае сигнал на переключение распределителя подается жидкостью в трубопроводах, во втором – перемещением всякого рода кулачков, упоров и т. п., взаимодействующих с деталями гидропривода.
Установки с пневматическим уравновешиванием и закрытой схемой гидропривода
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
Установки с использованием в качестве уравновешивающего устройства гидропневматического аккумулятора выполнялись с гидроприводом по закрытой или комбинированной схеме, в котором использовались как гидродинамические, так и гидростатические насосы. Тип применяемого насоса на структуру гидравлической схемы существенно не влиял: он определял лишь динамические характеристики установки и, что особенно важно, рабочее давление, а следовательно, габариты и массу элементов установки.
Гидроприводные установки с закрытой схемой (рис. 7.1) включают силовой орган – гидроцилиндр 1, пневматический аккумулятор 8, блок привода – силовой насос 3 и распределительный золотник 7, гидравлическую систему реверсирования, состоящую из кранов 2, установленных на управляющих коммуникациях, обратных клапанов 4, 5 и регулируемого дросселя 6, подключенных к управляющей полости силового золотника 7.
Установка работает следующим образом: при нижнем положении поршня давление жидкости в левой управляющей полости золотника 7 близко к атмосферному. Нижний обратный клапан открыт, и золотник занимает левое положение, т. е. жидкость направляется из аккумулятора на прием силового насоса и далее в нижнюю полость силового цилиндра. Поршень цилиндра вместе с колонной штанг перемещается вверх до тех пор, пока не пройдет мимо одного из верхних окон цилиндра, кран которого открыт. При этом жидкость из подпоршневой полости через открывшийся верхний обратный клапан и дроссель поступит в левую управляющую полость силового золотника и, преодолев усилие возвратной пружины, переместит его в правое положение. Жидкость начнет поступать из цилиндра в аккумулятор. Ход поршня вниз будет продолжаться до тех пор, пока нижнее управляющее окно не соединится с надпоршневой полостью, после чего описанный процесс повторится.
Рисунок 7.1 – Установка с закрытой гидравлической схемой Плавность переключения силового золотника регулируется дросселем, а длина
хода поршня – открытием соответствующего крана верхнего управляющего окна (при закрытых остальных).
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
Известно много разновидностей конструкций установок, выполненных по данной схеме. В некоторых из них в качестве силового насоса использован центробежный, а в системе реверсирования – золотник с дифференциальными поршнями, что позволило обойтись без обратных клапанов в системе реверсирования и т. п.
Оценивая эти установки, следует отметить, что их простота кажущаяся, поскольку они должны включать, кроме собственно гидропривода, системы компенсации утечек рабочей жидкости и стабилизации давления воздуха. Каждая из них содержит двигатель, компенсационный насос и компрессор, а также систему распределения и автоматики. В установках с закрытой схемой гидропривода бак выполняет функции аккумулятора.
К недостаткам подобных установок относится то, что шток силового цилиндра выполняет функции устьевого штока. Поэтому он находится в контакте с рабочей и пластовой жидкостями, что неизбежно приводит к переносу последней во внутреннюю полость гидросистемы. Загрязнение рабочей жидкости нефтью, минерализованной водой, химически активными компонентами и абразивным материалом, конечно, отражается на надежности и долговечности быстроизнашивающихся элементов гидропривода.
Установка с пневматическим уравновешиванием и комбинированной гидравлической схемой
Установка (рис. 7.2) включает силовой орган – гидроцилиндр 1, шток которого соединен с колонной штанг. Его нижняя полость соединена с верхней полостью верхнего промежуточного цилиндра 2, а подпоршневая полость последнего – с газовым аккумулятором 3. Полости нижнего промежуточного цилиндра через силовой распределитель 5 попеременно соединяется с силовым насосом 4 и баком 6.
Установка работает следующим образом: система реверсирования управляет силовым насосом, обеспечивая необходимую подачу жидкости и направление потока. При подходе к крайним положениям направление потока жидкости изменяется на противоположное.
Давление азота в газовом аккумуляторе 3 подбирается таким, чтобы нагрузка на двигатель при ходе штанг вверх и вниз была бы постоянной.
Рисунок 6.1 – Установка с комбинированной схемой
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
Несмотря на ряд недостатков: сложность конструкции, значительные габариты и массу, некоторые неудобства в обслуживании – установки с пневматическим уравновешиванием имеют более высокие показатели, чем балансирные, прежде всего заключающиеся в увеличении длины хода точки подвеса штанг.
Разработка и накопленный опыт эксплуатации этих установок позволили перейти к созданию компактного объемного гидропривода штангового скважинного насоса.
Гидроприводные штанговые насосные установки с уравновешиванием колонной насосных труб
Особое место среди гидроприводных установок занимают приводы с использованием колонны НКТ в качестве уравновешивающего груза, для чего эта колонна подвешивается к уравновешивающему цилиндру. Помимо этого принципиальная схема установки обеспечивает возможность компоновки всех ее узлов В виде моноблока, монтируемого непосредственно на колонной головке скважины. Таким образом, впервые устраняется необходимость в фундаменте.
Установка состоит из наземной и подземной частей – собственно привода, т. е. станка-качалки, и внутрискважинного оборудования (рис. 7.3). Привод имеет корпус (на рисунке не показан), монтируемый на колонной головке скважины.
В верхней части корпуса размещен силовой орган – штанговый гидроцилиндр 1, поршень 2 которого соединен штоком 3 и колонной штанг 12 с плунжером 14 скважинного насоса Ниже силового органа располагается уравновешивающее устройство
– трубный гидроцилиндр 4, поршень которого соединен полым сквозным штоком 5, тягами 7, траверсой 11 с колонной НКТ 13, в нижней части которой расположен цилиндр 15 скважинного насоса. Цилиндр 4 снабжен также фальштоком 6, позволяющим изменять эффективную площадь его поршня.
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
Рисунок 7.3 – Схема установки с использованном НКТ в качестве уравновешиваемого груза
Силовой блок включает в себя насос 9 для подачи рабочей жидкости из бака 10 через распределитель 8 попеременно в верхние полости цилиндров 1 и 4,
На выходе насоса установлен переливной клапан 16.
Пластовая жидкость отводится из НКТ в промысловый коллектор гибким шлангом 17. Установка работает следующим образом: подаваемая насосом из бака жидкость через распределитель направляется попеременно в верхние полости штангового 1 и трубного 4 цилиндров. В результате их поршни совершают синхронное оппозитное движение, перемещая колонну штанг и труб в противоположных направлениях. Сумма абсолютных перемещений штанг и труб соответствует ходу штанг относительно труб, т. е. без учета их деформаций,
плунжера относительно цилиндра скважинного насоса.
Уравновешивание установки достигается подбором такого соотношения длин ходов поршней цилиндров, при котором загрузка двигателя при ходе штанг вверх и вниз будет постоянной.
Рабочий цикл скважинного насоса совершается за двойной ход штанг (труб). Пластовая жидкость поднимается по колонне насосно-компрессорных труб и отводится гибким шлангом 17 в промысловый коллектор.
Уравновешивание гидроприводных установок, как и установок с механическим приводом, необходимо для обеспечения эксплуатации установки с двигателем минимально возможной мощности.
Объемный гидропривод позволяют использовать в качестве уравновешивающих устройств аккумуляторы различных типов.
Расчет уравновешивания гидроприводных установок заключается в определении параметров уравновешивающего устройства (давления в аккумуляторе, момента инерции маховика и т. п.), при которых будет обеспечен необходимый режим работы приводного двигателя.
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
Введение к лекции 8
Способ передачи энергии от первичного наземного двигателя к скважинному насосу, откачивающему пластовую жидкость, оказывает решающее влияние как на основные показатели установки, так и на ее конструкцию и компоновку.
Одним из основных недостатков рассмотренных ранее штанговых скважинных насосных установок является использование 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 эксплуатировать ШСНУ в глубоких, искривленных скважинах.
Для эксплуатации подобных скважин насосами объемного действия его привод – объемный гидродвигатель возвратно-поступательного действия устанавливают в непосредственной близости от скважинного насоса.
Гидродвигатель в действие приводится потоком рабочей жидкости, закачиваемой силовым насосом, расположенным на поверхности. Пластовая жидкость поднимается по колонне труб на поверхность, где часть ее используется для закачки силовым насосом обратно в скважину, а часть направляется в промысловый коллектор.
ЛЕКЦИЯ 8 8.1 Установки гидропоршневых насосов для добычи нефти
Конструктивно гидропоршневая насосная установка (ГПНУ) представляет собой: скважинный насос и гидродвигатель, объединенные в один агрегат – гидропоршневой погружной насосный агрегат (ГПНА), колонны насосно-компрессорных труб, блок подготовки рабочей жидкости и насосный блок.
Назначение этих элементов: насосный блок преобразует энергию приводного двигателя (электродвигатель или ДВС) в механическую энергию потока рабочей жидкости, гидропоршневой погружной насосный агрегат преобразует энергию рабочей жидкости в энергию откачиваемой пластовой жидкости, система колонн НКТ является каналами для рабочей и пластовой жидкостей, а блок подготовки рабочей жидкости служит для очистки пластовой жидкости от газа, песка и воды перед использованием ее в качестве рабочей в силовом насосе.
Гидропоршневые установки позволяют эксплуатировать скважины с динамическим уровнем до 4500 м, с максимальным дебитом до 1200 м3/сут при высоком содержании в пластовой жидкости воды (до 98 %), песка (до 2 %) и агрессивных компонентов.
Установки гидропоршневых насосов – блочные автоматизированные, предназначены для добычи нефти из двух – восьми глубоких кустовых наклонно
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
направленных скважин в заболоченных и труднодоступных районах Западной Сибири и других районах.
Установки выпускаются для скважин с условным диаметром обсадных колонн 140, 146 и 168 мм.
Климатическое исполнение – У и ХЛ, категория размещения наземного оборудования – 1, погружного – 5 (ГОСТ 15150-69).
Гидропоршневая насосная установка (рисунок 8.1) состоит из поршневого гидравлического двигателя и насоса 13, устанавливаемого в нижней части труб 10, силового насоса 4, расположенного на поверхности, емкости 2 для отстоя жидкости и сепаратора 6 для её очистки. Насос 13, сбрасываемый в трубы 10, садится в седло 14, где уплотняется в посадочном конусе 15 под воздействием струй рабочей жидкости, нагнетаемой в скважину по центральному ряду труб 10. Золотниковое устройство направляет жидкость в пространство над или под поршнем двигателя, и поэтому он совершает вертикальные возвратно-поступательные движения.
Нефть из скважин всасывается через обратный клапан 16, направляется в кольцевое пространство между внутренним 10 и наружным 11 рядами труб. В это же пространство из двигателя поступает отработанная жидкость (нефть), т.е. по кольцевому пространству на поверхность поднимается одновременно добываемая рабочая жидкость.
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
Рисунок 8.1 – Схема компоновки оборудования гидропоршневой насосной установки а – подъем насоса; б – работа насоса; 1 – трубопровод; 2 – емкость для рабочей жидкости;
3 – всасывающий трубопровод; 4 – силовой насос; 5 – манометр; 6 – сепаратор; 7 – выкидная линия; 8 – напорный трубопровод; 9 – оборудование устья скважины;
10 – 63 мм трубы; 11 – 102 мм трубы; 12 – обсадная колонна; 13 – гидропоршневой насос (сбрасываемый); 14 – седло гидропоршневого насоса; 15 – конус посадочный;
16 – обратный клапан; I — рабочая жидкость; II — добываемая жидкость; III — смесь отработанной и добытой жидкости.
При необходимости подъема насоса изменяют направление нагнетания рабочей жидкости — её подают в кольцевое пространство. Различают гидропоршневые насосы одинарного и двойного действия, с раздельным и совместным движением добываемой жидкости и рабочей и т.д.
В настоящее время выпускаются установки: УГН25-150-25, УГН40-250-20, УГН100-200-18, УГН160-380-15.
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
Обозначения: УГН – установка гидропоршневых насосов; цифры после УГН – подача одного гидропоршневого насосного агрегата (м3/сут.); цифры после первого тире – суммарная подача установки (м3/сут.); цифры после второго тире – давление нагнетания агрегата (МПа); в конце указывается ТУ.
Гидропоршневые насосные установки различаются:
по типу принципиальной схемы циркуляции рабочей жидкости (открытая или закрытая);
по принципу действия скважинного насоса (одинарного, двойного действия или дифференциальный);
по принципу работы гидродвигателя (дифференциального или двойного действия); по способу спуска погружного агрегата (спускаемые на колонне НКТ –
фиксированные или свободные – сбрасываемые в скважину); по числу ГПНА, обслуживаемых одной наземной установкой (индивидуальные или
групповые).
Тип принципиальной схемы циркуляции рабочей жидкости предопределяет способ возврата рабочей жидкости на поверхность. В установках с закрытой схемой жидкость после совершения ею полезной работы из гидродвигателя по отдельному каналу поднимается на поверхность. Продукция пласта, выходящая из скважинного насоса, поднимается по своему отдельному каналу.
Вустановках с открытой схемой жидкость, выйдя из гидродвигателя, смешивается
сжидкостью, выходящей из скважинного насоса, и поднимается на поверхность по общему каналу.
Недостатком первой схемы является большая металлоемкость, поскольку от устья к погружному агрегату необходимо спустить три герметичных трубопровода: для подачи рабочей жидкости к агрегату, для ее отвода и для подъема пластовой жидкости. Достоинством этой схемы являются незначительные потери рабочей жидкости, определяемые только лишь утечками из системы привода. Следует заметить, что производительность системы подготовки рабочей жидкости всей установки в значительной степени зависит от качества подготовки рабочей жидкости.
Установки с открытой схемой обладают меньшей металлоемкостью, так как предполагают каналы только для двух потоков жидкости – сверху вниз – рабочей, а снизу вверх – смеси рабочей и пластовой жидкости. Соответственно проще и оборудование устья. Недостатком этой системы является необходимость обработки большого количества рабочей жидкости, что требует применения сложных и высокопроизводительных систем для ее подготовки.