Основные схемы вставных насосов приведены на рис. 4.10. Они отличаются местом расположения замка для крепления насоса и типом подвижного узла – цилиндра или плунжера.
Наиболее распространена схема насоса с неподвижным цилиндром и замковой опорой в верхней части насоса (см. рис. 4.10, а). Недостатком этой схемы является относительно частое смещение втулок цилиндра при работе на большой глубине.
Расположение замка в нижней части цилиндра (см. рис. 4.10, б) позволяет выполнить его стенки толще, в результате чего вероятность смещения втулок цилиндра при его работе уменьшается. То же самое относится и к схеме насоса с подвижным цилиндром и неподвижным штоком (см. рис. 4.10, в).
Цилиндр может быть изготовлен из одной трубы или собран из отдельных втулок. В первом случае конструкция представляет собой цилиндр с присоединительной резьбой на концах, внутренняя поверхность которого рабочая, обработанная по высокому классу точности. Во втором случае конструкция цилиндра сложнее – она представляет собой кожух, в котором устанавливаются втулки (обычно длиной 300 мм) с внутренней рабочей поверхностью и обработанными торцами. Набор втулок устанавливается в кожухе, стягивается фасонными гайками, наворачиваемыми на концы кожуха.
Оба вида цилиндров должны иметь строго цилиндрическую внутреннюю поверхность: в первом случае это достигается в результате специальной технологии изготовления, обеспечивающей соответствующую точность, а во втором – сборкой втулочного цилиндра с помощью специальных приспособлений – направляющих и муфт.
Рис. 4.10. Основные схемы вставных насосов
Каждая из конструкций имеет свои преимущества и недостатки: цилиндр из цельной трубы труднее изготовить, он дороже, но зато удобнее в эксплуатации, так как обеспечивает цилиндричность рабочей поверхности в течение всего срока службы. Наружный диаметральный размер его меньше вследствие отсутствия кожуха. Последнее позволяет изготавливать вставные насосы с большим диаметром плунжера и обеспечивает выполнение замковой опоры более надежной конструкции.
Цилиндр, собранный из втулок, дешевле в изготовлении, так как втулки одного диаметра унифицированы для конструкций насосов с различными длинами ходов. Это упрощает сборку насоса и дает возможность получения необходимой длины хода. Однако в процессе эксплуатации соосность отдельных втулок нарушается, в результате чего плунжер заклинивается и насос выходит из строя. Большое число стыков между торцами втулок также нежелательно, так как чревато появлением утечек.
Плунжер представляет собой трубу, наружная рабочая поверхность которой обработана с высокой чистотой и точностью. На концах плунжер имеет резьбу для
57
крепления клапана и переводник. В зависимости от условий работы насоса используются плунжеры различных конструкций (рис. 4.11).
Рис. 4.11. Конструкция плунжеров скважинных насосов:
а – гладкий; б – с кольцевыми канавками; в – с винтовой канавкой; г – для удаления песка; д – манжетный; 1 – корпус плунжера; 2 – резиновое кольцо; 3 – набухающие резиновые кольца
Нагнетательный клапан устанавливается в зависимости от особенностей конструкции насоса, в верхней или нижней частях плунжера или же и тут и там. Нагнетательный клапан крепится к плунжеру посредством резьбового соединения. Клапан должен иметь как можно меньшее гидравлическое сопротивление, обусловливающее появление дополнительного условия при ходе штанг вниз. Конструкции нагнетательных клапанов приведены на рис. 4.12.
Рис. 4.12. Клапанные узлы скважинных насосов:
1 – корпус; 2 – стакан; 3 – шарик; 4 – седло; 5 – наконечник-конус
58
Всасывающий клапан устанавливается в нижней части цилиндра. Способ его крепления определяется конструкцией насоса: у вставных насосов посредством резьбового соединения, у трубных с помощью специального фиксатора для возможности извлечения клапана. В последнем случае клапан должен иметь устройство для его надежного захвата и извлечения на поверхность, а также проведения обратных операций. Помимо этого должна быть обеспечена герметичность стыка посадочного узла клапана. Как и нагнетательный, всасывающий клапан должен иметь возможно меньшее гидравлическое сопротивление.
Рис. 4.13. Шаровые клапаны: а – с буртом; б – с гладкой наружной поверхностью
Основой конструкций нагнетательных и всасывающих клапанов являются седло клапана и шарик (рис. 4.13.). Как показывает практика, именно пара «шарик – седло» в наибольшей степени отвечает всем требованиям, предъявляемым к этому узлу. Седла клапанов изготавливают из стали марок 30X13, 35X18 или из твердого сплава ВК6В. Замковая опора вставного насоса должна обеспечивать герметичность стыка в рабочем положении, создавать достаточное усилие для его функционирования, а также свободно пропускать корпус насоса при его смене [7, 13].
Насосные штанги. Длина штанг доходит до 8 м. Концы штанги имеют высаженные части, головки (рис. 4.14), на которых накатана резьба и имеется квадрат под ключ. Головку штанги выполняют с плавным переходом от утолщения к основному телу штанги. Штанги воспринимают переменные, а иногда и знакопеременные нагрузки. Поэтому очень важно не допускать концентрации напряжений и явлений остаточной деформации при продольном изгибе штанги.
Рис. 4.14. Насосная штанга
59
Конструкция высаженной части штанги совершенствуется. Установлена необходимость накатки, а не нарезки резьбы, что повысило прочность внешнего слоя металла у резьбы. Канавка для выхода резьбы имеет плавные переходы диаметров.
Штанги имеют диаметр 12, 16, 19, 22 и 25 мм по основному телу штанги. Для более точного соблюдения глубины подвески плунжера насоса применяют короткие штанги длиной 1; 1,2; 1,5; 2 и 3 м.
Работа штанг происходит при переменных нагрузках в коррозионной среде, имеет место трение о стенки труб. Ввиду различия условий работы штанг регламентируются условия их применения. Тяжелые условия работы штанг приводят к большому числу подземных ремонтов из-за их повреждений. Практика показывает, что около 40–45 % ремонтов ШСН вызваны авариями со штангами. В коррозионных средах число аварий штанг увеличивается в 2–15 раз, в искривленных скважинах в 2–5 раз по сравнению с неосложненными условиями в относительно вертикальной скважине.
К коррозионным условиям относится работа штанг при наличии в жидкости более 50 % высокоминерализованных пластовых вод с преобладанием NaCl и наличием растворенных СО2, H2S и О2 (совместно или порознь). К этим же условиям относится и работа штанг при наличии в нефти H2S (более 0,03 %). Соответственно некоррозионные условия предусматривают отсутствие H2S, CO2 и О2 и наличие в продукции скважины менее 50 % минерализованных вод.
Прочность штанг увеличивается в основном обработкой их поверхности. Это объясняется тем, что в агрессивной среде повышение σв мало влияет на увеличение предела усталости σ–1 при использовании углеродистых сталей и сталей среднего легирования. Исследования по изысканию способа упрочнения штанг показали, что лучшие результаты дает обработка поверхности дробью и ТВЧ. Испытание образцов по первому методу показало уменьшение отказов в 2,5 раза, по второму – в 3,5 раза. Применение высоколегированных сталей – резерв дальнейшего увеличения прочности штанг.
В ГОСТе на насосные штанги даны требования по их надежности. Указано, что вероятность безотказной работы 1000 штанг, выбранных из произведенных в один из кварталов года, за 5 млн рабочих циклов по числу их обрывов (без учета эксплуатационных отказов) должна быть не менее 0,995, т.е. только 5 штанг из 1000 за этот период работы могут оборваться из-за некачественного изготовления. Срок службы штанг установлен не менее 5 лет [15].
Гидравлический расчет скважинного насоса. Расчет ШСН включает определение утечек жидкости между плунжером и цилиндром, а также вычисление гидравлического сопротивления нагнетательного и всасывающего клапанов.
Количество жидкости, вытекшее из полости q∑ над плунжером в полость под плунжером при его движении вверх, определяется разностью объема утечек через зазор q1 и объема q2 жидкости, увлеченной плунжером за собой,
q q1 q2 2 3c2 πDδ2 gH / νl 0,5πDδu ,
где с – относительный эксцентриситет, с = е/δ; е – абсолютный эксцентриситет осей плунжера и цилиндра; δ – радиальный зазор при концентричном расположении плунжера и цилиндра; D – диаметр плунжера; g – ускорение свободного падения; Н – перепад напора на длине плунжера; ν – кинематическая вязкость откачиваемой жидкости; l – длина плунжера; u – скорость перемещения плунжера относительно цилиндра.
Поскольку при движении плунжер может занимать любое возможное положение относительно цилиндра, то обычно в расчетах эксцентриситет принимают равным среднему возможному значению с = 0,5. Кольцевые канавки на плунжере уменьшают
60
длину рассчитываемого зазора, а гидравлические сопротивления, обусловленные резким изменением профиля поперечного сечения клапана, практически не оказывают влияния. В то же время канавки на плунжере позволяют избежать его гидравлического заклинивания, когда гладкий плунжер прижимается давлением откачиваемой жидкости к одной стороне цилиндра, а возникающие при этом силы сухого трения препятствуют его движению.
Поэтому при наличии каналов в формулу следует подставлять приведенную длину плунжера
lпр = l – an,
где а – ширина кольцевой канавки; n – число канавок. Потери напора в клапанах определяются по формуле
h f 2u2 / μf02 2g ,
где μ – коэффициент расхода, определяемый для каждого типа клапана экспериментально; f, f0 – площадь плунжера и отверстия седла клапана; u – скорость движения плунжера относительно цилиндра.
Для определения μ находят число Рейнольдса
Re = d0 υ0/ν,
где d0 – диаметр отверстия в седле клапана; υ0 – максимальная скорость течения жидкости в отверстии клапана [7].
4.3. Привод скважинных штанговых насосов
4.3.1. Механический привод штанговых насосов
Назначение привода штанговых скважинных насосов двояко: с одной стороны, он преобразовывает энергию двигателя в механическую энергию колонны штанг, с другой – создает оптимальный режим работы приводного двигателя. Привод обеспечивает движение точки подвеса штанг по определенному закону, регулирует режим откачки пластовой жидкости за счет изменения длины и частоты хода точки подвеса штанг, пуск и остановку ШСНУ, контроль режима работы внутрискважинного оборудования. Он также позволяет использовать двигатели минимальной мощности, на режим нагружения которых закономерность изменения внешней нагрузки должна влиять в минимальной степени.
Привод ШСН состоит из следующих основных блоков (рис. 4.15): силового органа, уравновешивающего устройства и собственно привода.
Силовой орган предназначен для перемещения колонны штанг и может быть механическим, состоящим из системы рычагов, канатов и блоков, гидравлическим или пневматическим – с использованием собственно гидроили пневмоцилиндров.
Собственно привод включает двигатель (электромотор или двигатель внутреннего сгорания) и передачу, которая может быть механической или гидравлической. Эти два блока в основном обеспечивают выполнение первой функции привода, выполнение второй обеспечивается уравновешивающим устройством, которое накапливает потенциальную энергию колонны штанг при ее ходе вниз и отдает при ходе штанг вверх.
61