Сывающий клапан; 22 — цилиндр насоса; 23 — хвостовик
ЭКСПЛУАТАЦИЯ СКВАЖИН ШТАНГОВЫМИ
ГЛУБИННОНАСОСНЫМИ УСТАНОВКАМИ
При эксплуатации скважин штанговыми глубиннонасосными ус-
тановками используются различные плунжерные насосы. К насто-
ящему времени создано большое количество плунжерных насосов,
различающихся не только конструкциями, но и областью их при-
менения в различных эксплуатационных условиях.
9.3.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ПЛУНЖЕРНЫХ ГЛУБИННЫХ НАСОСОВ
Все известные плунжерные глубинные насосы могут быть клас-
сифицированы по следующим признакам:
1. По конструкции
1.1. Насосы простые (с одним плунжером постоянного диаметра).
1.2. Насосы дифференциальные (с двумя и более плунжера-
ми различных диаметров).
1.3. Трубные насосы (цилиндр спускается в скважину на ко-
лонне НКТ, а плунжер — на колонне штанг).
1.4. Вставные насосы (цилиндр и плунжер спускаются вместе
на колонне штанг).
1.5. Насосы с неподвижным цилиндром и движущимся плун-
жером.
1.6. Насосы с движущимся цилиндром и неподвижным плун-
жером.
2. По характеру всасывания продукции
2.1. Всасывание при ходе вверх.
2.2. Всасывание при ходе вниз.
2.3. Всасывание при ходе вверх и вниз.
3. По принципу действия
3.1. Одинарного действия.
3.2. Двойного действия.
4. По назначению
4.1. Для добычи жидкости в обычных условиях.
4.2. Для добычи жидкости со значительным содержанием сво-
бодного газа.
4.3. Для добычи вязких жидкостей.
|
|
|
4.4. Для добычи больших объемов жидкости.
4.5. Для добычи жидкости с содержанием механических при-
месей (песка).
586
На рис. 9.2 представлены основные схемы глубинных плунжер-
ных насосов. Каждый из приведенных на рис. 9.2 насосов имеет свою
область применения, а в целом, гамма разработанных насосов зак-
рывает основные осложняющие факторы в процессе добычи нефти.
В соответствии с классификационными признаками насос на
рис. 9.2 а обладает такой характеристикой — 1.1, 2.1, 3.1, 4.1, что
расшифровывается следующим образом: насос простой, всасыва-
ние осуществляется при ходе вверх, насос одинарного действия,
предназначен для откачки жидкости в обычных условиях.
Насос на рис. 9.2 б классифицируется так — 1.2,2.1,3.1,4.3, что
обозначает: насос дифференциальный, всасывание при ходе вверх,
одинарного действия, предназначен для добычи вязких жидкостей.
Насос на рис. 9.2 в классифицируется так — 1.2,2.1, 3.1, 4.2: на-
сос дифференциальный, всасывание при ходе вверх, одинарного
действия, для добычи жидкости со значительным содержанием сво-
бодного газа (насос ступенчатого сжатия).
Насос на рис. 9.2 г классифицируется так — 1.2, 2.3, 3.2, 4.4: на-
сос дифференциальный, всасывание при ходе вверх и вниз, двой-
|
|
|
ного действия, для добычи больших объемов жидкости (насос вы-
сокой производительности).
Насос на рис. 9.2 д классифицируется так — 1.1,2.1,3.1, 4.5: на-
сос простой, всасывание при ходе вверх, одинарного действия, для
добычи жидкости с содержанием механических примесей.
- 2
-3
РГ.
л
Л
-3
а б в г д
Рис. 9.2. Принципиальные схемы глубинных плунжерных насосов:
Цилиндр; 2 — плунжер; 3 — всасывающий клапан; 4 — нагнетатель-
Ный клапан; 5 — колонна штанг; 6 — уплотнитель; 7 — отверстие в ци-
Линдре насоса; 8 — полки-пескоприемники; 9 — отверстие в полой штан-
Ге; а — насос обычный (простой); б — насос для откачки вязких жидко-
Стей; в — насос для откачки жидкости со значительным содержанием сво-
Бодного газа; г — насос высокой производительности; д — насос для добы-
Чи жидкости с механическими примесями
СХЕМА СКВАЖИННОЙ ШТАНГОВОЙ УСТАНОВКИ
Схема СШНУ представлена на рис. 9.3. Оборудование СШНУ
состоит из двух частей: наземного и подземного. Наземное обо-
рудование состоит из станка-качалки, привода, станции управ-
ления и устьевой арматуры. Подземное оборудование включает
в себя колонну НКТ, колонну штанг, глубинный насос и, при не-
|
|
|
обходимости, другие элементы (хвостовик, газовый или газопе-
сочный якорь, якорь для фиксации колонны НКТ в обсадной
колонне и т.п.).
Рис. 9 3 . Принципиальная схема СШНУ.
Станция управления; 2 — балансир; 3 — головка балансира; 4 — стой-
Ка балансира; 5 — шатун; б — кривошип; 7 — редуктор; 8 — приводной
Двигатель; 9 — тормоз; 10 — противовесы; 11 — металлическая рама; 12 —
Бетонный фундамент; 13 — канатная подвеска; 14 — траверсы; 15 — поли-
рованный шток; 16 — устьевая арматура; 17 — колонн≫ штанг; 18 — ко-
Лонна НКТ; 19 — плунжер насоса; 20 — нагнетательный клапан; 21 — вса-
сывающий клапан; 22 — цилиндр насоса; 23 — хвостовик
588
Основным элементом наземного оборудования является станок-ка-
чалка, состоящий из балансира 2, головки балансира 3, стойки 4, шату-
на 5, кривошипа 6, редуктора 7, приводного двигателя 8, тормоза 9 и
противовесов 10. Управление наземным оборудованием осуществляет-
ся специальной станцией 1. Сганок-качалка, редуктор и приводной дви-
гатель монтируются на металлической раме 11, устанавливаемой на
бетонном фундаменте 12. Головка балансира 3 имеет канатную под-
веску 13, соединенную с полированным штоком 15 с помощью тра-
|
|
|
верс 14. Устье скважины оборудовано устьевой арматурой 16. Сганок-
качалка предназначен для восприятия нагрузок, действующих в точке
подвеса штанг (ТТШ1) в течение насосного цикла, и преобразования
вращательного движения ротора приводного двигателя в возвратно-
поступательное движение головки балансира. Редуктор 7 предназна-
чен для снижения числа оборотов приводного двигателя 8 и повыше-
ния крутящего момента на выходном валу, на котором закреплены кри-
вошипы 6. Кривошипы 6 соединены шатунами 5 с балансиром 2. На
входном валу редуктора имеется шкив, соединенный клиноременной
передачей со шкивом приводного двигателя 8. В системе имеется также
тормоз 9. Приводной двигатель устанавливается и закрепляется на са-
лазках. При необходимости изменения числа качаний балансира заме-
няется размер шкива на приводном двигателе. Изменение длины хода
полированного штока 15 (перемещения головки балансира) осуществ-
ляется изменением радиуса кривошипа 6 перестановкой шатуна 5, для
чего кривошип имеет несколько отверстий. Кроме того, кривошип имеет
устройство, позволяющее перемещать вдоль него противовесы 10, до-
биваясь наилучшего уравновешивания нагрузок, действующих в i l l l l l
В настоящее время промышленностью выпускается значительное
количество типоразмеров станков-качалок (СК), отличающихся грузо-
подъемностью, длиной хода полированного штока и числом качаний,
предназначенных для эксплуатации скважин различных категорий.
Устьевая арматура 16 имеет выкидной манифольд, манифольд
затрубного пространства, а также сальниковое устройство, через
которое проходит полированный шток 15.
Подземное оборудование включает колонну штанг 17, предназ-
наченную для передачи возвратно-поступательного движения го-
ловки балансира плунжеру 19 глубинного насоса, а также для вос-
приятия нагрузок, действующих на штанги в течение насосного
цикла. Имеется колонна НКТ 18, на нижнем конце которой зак-
реплен цилиндр насоса 22. Плунжер глубинного насоса имеет один
589
или два нагнетательных клапана 20, а цилиндр насоса — всасываю-
щий клапан 2. К приему насоса закреплен хвостовик 23.
Цилиндр скважинного насоса имеет различное конструктивное
оформление, а внутренняя его поверхность тщательно обработана,
равно как и наружная поверхность плунжера. Вместе они состав-
ляют пару трения.
Как видно из рис. 9.3, при ходе головки балансира вверх плунжер
также перемещается вверх; при этом нагнетательный клапан 20 закры-
вается под действием веса продукции скважины, находящейся в НКТ.
При снижении давления в цилиндре насоса до величины, меньшей, чем
давление на приеме (давление в скважине перед всасывающим клапа-
ном), всасывающий клапан 21 открывается и цилиндр насоса заполня-
ется скважинной продукцией (такт всасьшания). При ходе плунжера
вниз давление в цилиндре насоса повышается, всасывающий клапан
закрывается, а когда давление в цилиндре насоса (под плунжером) ста-
новится большим, чем давление над плунжером, открывается нагне-
тательный клапан, и продукция из цилиндра через плунжер перете-
кает в колонну НКТ (такт нагнетания). Затем цикл повторяется.
Следует отметить, что колонна штанг работает в очень сложных усло-
виях, связанных не столько с длительным контактом со скважинной про-
дукцией (а она может быть и коррозионно активной), сколько со слож-
ными и переменными во времени нагрузками (растягивающими, сжима-
ющими, изгибающими и крутящими). Расчет колонны штанг с учетом
всех действующих нагрузок является сложной физической задачей.
Одним из основных технологических вопросов является подача
скважинной штанговой насосной установки.
9.3.3. ПОДАЧА СКВАЖИННОЙ ШТАНГОВОЙ НАСОСНОЙ УСТАНОВКИ.
КОЭФФИЦИЕНТ ПОДАЧИ
Рассмотрим схему плунжерного насоса, представленную на
рис. 9.4. Перемещение плунжера осуществляется между нижней мер-
твой точкой (НМТ) и верхней мертвой точкой (ВМТ) и характери-
зуется величиной, называемой длиной хода плунжера Sm. Наружный
диаметр плунжера Dim принимается равным внутреннему диаметру
цилиндра (хотя фактически между этими величинами имеется опре-
деленная разница 28; 8 — зазор между плунжером и цилиндром).
При ходе плунжера вверх нагнетательный клапан 4 закрывается под
действием веса столба продукции скважины, находящейся в колон-
590
не НКТ 5. В цилиндре насоса 1 давление снижается и в определен-
ный момент всасывающий клапан 3 открывается; продукция сква-
жины поступает в цилиндр насоса (в подплунжерное пространство,
которое увеличивается до тех пор, пока плунжер не придет в ВМТ).
Ход плунжера из НМТ до ВМТ называется тактом всасывания.
Объем продукции скважины, поступившей в цилиндр насоса при
такте всасывания, равен объему, описанному плунжером от НМТ
до ВМТ V:
V = SmF,[M3l (9-3)
где F — площадь поперечного сечения цилиндра (м2), равная:
г = -
Dm—диаметр плунжера, равный внутреннему диаметру цилиндра, м.__
повышается, всасывающий клапан 3 закрывается, и в определенный
момент времени открывается нагнетательный клапан 4. Продукция из ци-
линдра насоса 1 перетекает через плунжер 2 в надплунжерное простран-
ство. Ход плунжера из ВМТ до НМТ называется тактом нагнетания.
Таким образом, за один насосный цикл ≪ход вверх — ход вниз≫
объем продукции, откачиваемый из скважины, составляет:
y = Sm^,[^]- (9-5)
Обозначим число двойных ходов плунжера в мин через п. Тогда
теоретическая минутная подача насоса составит Q'T:
nD2
ет'=^-5ш,п,[м3/мин]. (9.6)
Переходя к суточной подаче установки, умножим (9.6) на 1440
(число минут в сутках) и получим суточную теоретическую подачу
установки Q\
QT=^Sm-n-1440 = 360nDlSmn = 1440• F• Sm • n,[м7сут], (9.7)
где п — число двойных ходов плунжера в мин (число качаний ба-
лансира в мин).
Обозначая длину хода полированного штока (на поверхности)
через 5, введем понятие условно теоретической подачи Qryai:
eTycj, = 1440F-5-n,[MVcyr]. (9.8)
Введение условно теоретической подачи связано с тем, что длина
хода плунжера 5|ш в каждом конкретном случае является неизвестной
величиной и может существенно отличаться от известной длины хода
полированного штока S. Разница в указанных параметрах связана не
только с упругими деформациями штанг и труб под действием стати-
ческих нагрузок, но также и с влиянием на упругие деформации инер-
ционных нагрузок, возникающих в насосной установке при определен-
ных режимах ее работы. Этот вопрос будет подробно рассмотрен ниже.
Таким образом, условно теоретическая подача установки может
быть легко рассчитана в любой момент времени, для чего доста-
точно измерить (знать) длину хода полированного штока 5.
Фактическая суточная подача установки, измеряемая на повер-
хности по жидкости (после процесса сепарации) (2Ф> может не со-
592
впадать с <2тусл по целому ряду причин. Отношение фактической
подачи установки (2ф к условно теоретической подаче ее QT ш[ назо-
вем коэффициентом подачи установки и обозначим его через ц:
л - "
"]~п~- (9.9)
С учетом выражения (9.8) фактическая подача такова:
дф = 1440 •/••£• л-г] . (9.10)
Рассмотрим, от чего зависит фактическая подача установки (ко-
эффициент подачи).
9.3.4. ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА КОЭФФИЦИЕНТ ПОДАЧИ
УСТАНОВКИ
К основным факторам, определяющим коэффициент подачи ус-
тановки, можно отнести:
1. Коэффициент наполнения скважинного насоса — р. Этот ко-
эффициент характеризует степень заполнения цилиндра насоса при
такте всасывания жидкостью, поступающей из скважины. Так как
продукция скважины в общем случае состоит из жидкой и газовой
фаз, то при такте всасывания часть объема цилиндра насоса может
заполняться газовой фазой, выделяющейся из жидкости, что снижа-
ет коэффициент наполнения насоса жидкостью (Р < 1). Сложные
процессы, связанные с фазовыми переходами в цилиндре насоса, тре-
буют специального рассмотрения, что и будет сделано ниже.
2. Упругие деформации штанг и труб, приводящие к разности
между длиной хода полированного штока и длиной хода плунже-
ра, характеризуемые коэффициентом х\к:
Л х = ^ . (9.11)
Если при работе СШНУ определяющими являются статические
нагрузки, то длина хода плунжера 5пл всегда меньше длины хода
полированного штока S на величину упругих деформаций штанг и
труб за насосный цикл X:
X=S-Sm. (9.12)
При определенных режимах работы СШНУ значительную роль
начинают играть динамические, в частности, инерционные нагруз-
ки от веса штанг в продукции и веса самой продукции. Инерцион-
593
ные нагрузки приводят к увеличению длины хода плунжера 5ш
в сравнении с длиной хода полированного штока S, которая харак-
теризуется величиной X__
Дата добавления: 2018-06-27; просмотров: 268; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!