жидкость из скважины и по колонне труб 6 направляет ее вверх. В установке с открытой схемой рабочая жидкость из мотора поднимается на поверхность по колонне труб 6, а в установке с закрытой схемой – по отдельной колонне 7.
Вустановке с открытой схемой смесь пластовой и рабочей жидкости из колонны 6 направляется в устройство подготовки рабочей жидкости 8, из которого очищенная нефть по трубопроводу 9 поступает на прием силового насоса 2, а остальная часть потока вместе с отдельными примесями направляется в сборный промысловый коллектор.
Вустановке с закрытой схемой рабочая жидкость возвращается в буферную емкость устройства подготовки 8, откуда трубопроводом 9 направляется на прием силового насоса 2. Пластовая жидкость из колонны 7 отводится в сборный промысловый коллектор, а небольшая часть жидкости (1–2 %) по трубопроводу 10 направляется в устройство подготовки 8 для компенсации потерь рабочей жидкости
[7, 15].
6.1. Погружной агрегат гидропоршневого насоса
По принципу действия скважинного насоса ГПНА существующие конструкции можно разделить на группы с насосами одинарного (рис. 6.4, а), двойного (рис. 6.4, б) и дифференциального действия (рис. 6.4, в). В агрегатах одинарного действия шток с двумя поршнями совершает возвратно-поступательное движение в результате попеременной подачи жидкости из напорного трубопровода то в полость 3, то 4. Жидкость подается золотниковым устройством. В результате в насосе одинарного действия при ходе поршня вверх пластовая жидкость попадает через всасывающий клапан 1 в полость 6, а при ходе поршня вниз вытесняется через нагнетательный клапан 2 в напорный трубопровод. Клапаны 1 и 2 самодействующие, обычно шарикового типа.
Рис. 6.4. Схемы насосов погружных агрегатов
99
Полость 5 соединена с затрубным пространством с помощью отверстия, и при перемещении поршня вверх и вниз жидкость может свободно циркулировать. В агрегатах двойного действия при перемещении поршня насоса вверх пластовая жидкость попадает через клапан 1 в полость и вытесняется из полости 5 через клапан 2.
При ходе поршня вниз пластовая жидкость вытесняется из полости 6 через клапан 2 и поступает в полость 5 через клапан 1. Таким образом, при каждом ходе поршня жидкость подается в напорный трубопровод.
Вагрегатах с насосом дифференциального действия (см. рис. 6.4, в) поршень насоса выполнен сквозным с расположенным в нем нагнетательным клапаном 2. При ходе поршня вниз всасывающий клапан 1 закрыт, из полостей 5 и 6 в напорный трубопровод вытесняется объем жидкости, равный объему штока, находящегося в полостях, при ходе поршня вверх нагнетательный клапан 2 закрыт, а всасывающий 1 открыт. В результате пластовая жидкость вытесняется из полости 5 в напорный трубопровод и поступает в полость 6.
Соотношение объемов пластовой жидкости, вытесняемой в напорный трубопровод при ходе вверх и вниз, будет определяться соотношением площадей поперечного сечения поршня и штока насоса. По принципу действия гидродвигателя ГПНА бывают дифференциального или двойного действия. Рассмотрим конструкцию и работу на примере гидродвигателя двойного действия (рис. 6.5). Он представляет собой корпус 1,
вкотором расположены цилиндр 4 с поршнем 5 и штоком 6, главный золотник 2 и управляющие им верхний 3 и нижний клапаны. Нижний клапан включает в себя кольцевые канавки f и g и канавку е на штоке 6. Все эти элементы соединены внутренними каналами. Шток гидродвигателя является одновременно штоком скважинного насоса, размещенного ниже и представляющего вместе с гидродвигателем единое целое – гидропоршневой погружной насосный агрегат.
Двигатель работает следующим образом: рабочая жидкость, поступающая сверху непрерывным потоком, попадает во внутреннюю полость агрегата через отверстия в верхней части корпуса.
Ход поршня вверх (см. рис. 6.5, а). Главный золотник 2 занимает нижнее положение, и рабочая жидкость по внутренним каналам направляется из полости а в нижнюю полость цилиндра d, поршень 5 которого вместе со штоком перемещается вверх. (Направление потока рабочей жидкости под давлением показано сплошными стрелками). В это время шток верхнего клапана 3 находится в нижнем положении, так как на него сверху действует усилие, обусловленное перепадом давлений между внутренней полостью а и верхней полостью цилиндра с, а также усилие возвратной пружины.
Отработавшая рабочая жидкость из верхней полости цилиндра вытесняется через золотник (направление потока отработавшей жидкости показано пунктирными линиями) в затрубное пространство.
При подходе поршня к верхнему положению скорость его движения уменьшается благодаря работе демпфера – конического выступа на поршне 5 и отверстия в корпусе. Одновременно поршень перемещает вверх шток верхнего клапана, в результате чего благодаря канавке на штоке полость а сообщается с полостью b. Так как площадь верхнего торца золотника меньше площади нижнего, то главный золотник 2 под действием разности сил, обусловленных давлением рабочей жидкости на его торцы, перемещается вверх.
Врезультате перемещения главного золотника 2 вверх канал, подающий рабочую жидкость под поршень цилиндра, закрывается и поршень останавливается, одновременно с этим главный золотник соединяет подпоршневой объем d с затрубным пространством, а верхнюю полость с – с полостью а.
Ход поршня вниз (см. рис. 6.5, б). Рабочая жидкость из полости а направляется в верхнюю полость цилиндра с и перемещает его поршень вниз. Одновременно
100
перемещается вниз верхний пилот 3, достигнув своего нижнего положения, он закрывает канал, связывающий полость а с нижней полостью золотника. Золотник, находящийся в нижнем положении, соединяет верхнюю полость цилиндра с с нижней полостью золотника d, благодаря чему он остается в верхнем положении до тех пор, пока поршень, подходя к своему нижнему положению, не начнет замедлять свою скорость благодаря работе нижнего демпфера, канавка е на штоке поршня соединит кольцевые канавки f и g.
Рис. 6.5. Схема гидравлического двигателя двойного действия
В результате соединения канавок f и g нижняя полость золотника d будет соединена с затрубным пространством, и золотник переместится вниз под действием давления, воздействующего на него сверху.
При этом канал, подающий жидкость в верхнюю полость цилиндра, будет перекрыт, подпоршневой объем цилиндра d соединится с полостью а, а верхняя полость с с затрубьем.
Далее начинается ход поршня вверх, и цикл работы двигателя повторяется. При перемещении штока вверх–вниз осуществляется привод в действие скважинного насоса, работа которого была рассмотрена ранее.
101
По способу спуска ГПНА различаются: агрегаты, спускаемые на колонне насоснокомпрессорных труб (аналогично трубному скважинному насосу), фиксированные и так называемые свободные агрегаты. Первые жестко соединяются с колонной, и для их подъема необходимо поднять НКТ, что сопряжено с большой затратой сил и времени бригады подземного ремонта, вторые снабжаются специальным уплотнением и замком
иподнимаются или опускаются посредством рабочей жидкости, направление которой изменяется в зависимости от необходимого направления движения агрегата. Для монтажа свободных агрегатов в нижней части труб устанавливается специальное седло,
ана устье – ловитель и специальная обвязка, позволяющая изменять направления потоков в колоннах насосно-компрессорных труб.
Для спуска агрегата колонны труб заполняются жидкостью, после чего спускается агрегат, который под действием потока жидкости, подаваемой силовым насосом, опускается, устанавливается на седле и фиксируется замком. После его установки поток жидкости начинает проходить через агрегат, и последний откачивает пластовую жидкость. Время спуска агрегата на седло, момент его установки и начало работы контролируются по показаниям манометра, установленного на нагнетательном патрубке силового насоса.
Для подъема агрегата направление потоков жидкости в колоннах труб изменяется на противоположное посредством переключения четырехходового крана. При этом давление жидкости, действующее на агрегат снизу, создает усилие, направленное вверх, которое извлекает агрегат из замка и перемещает его вверх к устью скважины.
Агрегат после достижения им устья захватывается специальным ловителем. При этом силовой насос, подающий рабочую жидкость, автоматически отключается, и операция заканчивается. Момент выпрессовки агрегата из замка и время подъема его на поверхность контролируются манометром.
Помимо перечисленных отличительных признаков, установки отличаются конструктивным исполнением и взаимным расположением каналов для подвода и отвода жидкости от ГПНА. В качестве каналов могут использоваться специальные колонны НКТ либо внутренняя полость эксплуатационной колонны, а относительно друг друга колонны могут располагаться концентрично или же параллельно.
Взависимости от типа гидравлической схемы установки и типа применяемого ГПНА конструкции нижней части внутрискважинного оборудования могут быть различными. При использовании открытой гидравлической схемы применяют следующие варианты конструкций (рис. 6.6).
Фиксированный ГПНА с двумя концентрично расположенными колоннами труб (рис. 6.6, а). В этом случае ГПНА 4 спускается на центральной колонне труб 1, а его нижняя часть с уплотнением устанавливается на опорном конусе 5, который укреплен на колонне НКТ 2 большого диаметра. Рабочая жидкость подводится к гидродвигателю по центральной колонне НКТ 1, а пластовая жидкость в смеси с рабочей отводится по концентричному каналу, образованному колоннами НКТ 1 и 2.
Фиксированный ГПНА (см. рис. 6.6, б) с одной колонной НКТ. ГПНА опускается на колонне НКТ 1 и устанавливается нижней частью на пакере 6, расположенном в эксплуатационной колонне 3. Как и в предыдущей схеме, рабочая жидкость подводится по центральной НКТ 1, а поднимается по кольцевому каналу между НКТ 1 и эксплуатационной колонной 3.
Свободный ГПНА с двумя параллельными колоннами НКТ (см. рис. 6.6, в). Агрегат 8 спускается в скважину по НКТ большого диаметра 1, по которой к нему подводится рабочая жидкость и в нижней части которой установлены седло с замком и обратный клапан 10. Параллельная колонна труб 2 служит для подъема смеси пластовой
ирабочей жидкостей.
102
Рис. 6.6. Оборудование скважин ГПНА с открытой схемой циркуляции рабочей жидкости
Свободный ГПНА с одной колонной НКТ (см. рис. 6.6, г). Агрегат 8 располагается в колонне НКТ 1, в нижней части 9 которой установлены седло с замком и обратный клапан 10. Хвостовик колонны фиксируется в отверстии пакера 7, установленного в эксплуатационной колонне 3. Потоки жидкостей аналогичны потокам схемы (см.
рис. 6.6, б).
При подъеме свободного агрегата на рис. 6.6, в и г поток жидкости в канале, служащем для подъема пластовой жидкости, изменяется на противоположный, обратный клапан 10 закрывается, и агрегат 8 перемещается вверх.
Сопоставление приведенных схем показывает, что с точки зрения металлоемкости наилучшими показателями обладают схемы с применением одной колонны НКТ и пакера. Эти же схемы позволяют обеспечить максимальный отбор жидкости из скважины, поскольку гидравлическое сопротивление каналов для подвода и отвода жидкости минимальное, а в схеме, представленной на рис. 6.6, б, к тому же радиальные габаритные размеры ограничены только лишь внутренним диаметром эксплуатационной скважины.
Недостатком схем, приведенных на рис. 6.6, б и г, является необходимость установки пакера, а также усложнение конструкции агрегата для пропуска через нее свободного газа.
При использовании закрытой гидравлической схемы применяют следующие варианты конструкций внутрискважинного оборудования (рис. 6.7).
Фиксированный ГПНА с тремя рядами насосных труб (см. рис. 6.7, а). Рабочая жидкость подводится и отводится по концентрично расположенным колоннам труб 1 и 2, а пластовая жидкость поднимается по расположенной параллельно им колонне 3. Агрегат 6 спускается на внутренней колонне 1 и снабжен уплотнением 5, расположенным в верхней части агрегата для предотвращения смешивания потоков рабочей и пластовой жидкости. Фиксация агрегата обеспечивается седлом с замком, установленными вместе с обратным клапаном 9 в нижней части колонны.
103
Рис. 6.7. Оборудование скважин ГПНА с закрытой схемой циркуляции рабочей жидкости
Фиксированный ГПНА с двумя концентричными колоннами (см. рис. 6.7, б). Рабочая жидкость, как и в предыдущей схеме, подводится и отводится по концентрично расположенным трубам 1 и 2, а пластовая жидкость поднимается по кольцевому каналу между колонной 2 и эксплуатационной колонной 4. Обязательным является применение пакера 8, устанавливаемого в эксплуатационной колонне 4, с которым взаимодействует хвостовик колонны 2.
Свободный ГПНА с тремя параллельными колоннами труб (см. рис. 6.7, в). Подвод рабочей жидкости к агрегату 10, а также его спуск и подъем осуществляются по центральной трубе 1 большого диаметра. В нижней части ее установлены замок 7, фиксирующий агрегат после установки его в рабочем положении и обратный клапан 9 для подачи рабочей жидкости под агрегат при его подъеме. Рабочая и пластовая жидкости поднимаются по отдельным колоннам 2 и 3, расположенным параллельно колонне 1.
Свободный ГПНА с двумя параллельными колоннами труб (см. рис. 6.7, г). Подвод рабочей жидкости, подъем и спуск агрегата осуществляются, как и в предыдущей схеме, по колонне 1 большого диаметра. Башмак колонны 1 взаимодействует с пакером 8, установленным в эксплуатационной колонне 4. Рабочая жидкость поднимается по параллельной колонне 2, а пластовая – по кольцевому пространству внутри обсадной колонны 4.
Анализ рассмотренных конструкций показывает, что использование ГПНА в сочетании с закрытой схемой усложняет внутрискважинное оборудование, так как требует дополнительного канала для возврата рабочей жидкости. Наименее металлоемкими и наиболее производительными являются схемы с использованием полости эксплуатационной колонны, что, как и в рассмотренных конструкциях
104
открытых схем, требует установки пакера. Вместе с тем недостатки описанных схем компенсируются удобством установки и извлечения ГПНА, что и объясняет их широкое применение.
Опыт работы с установками гидропоршневых насосов показал, что сбрасываемые погружные агрегаты могут работать в среднем с межремонтным периодом около 9 месяцев (270 сут). Подъем их производился без подъема труб – жидкостью. НКТ и пакеры не поднимались по нескольку лет. Ожидалось, что подъем добываемой жидкости по обсадной колонне (при установке пакера) может привести к отложению парафина на обсадных трубах и осложнениям при подъеме НКТ и пакера. Однако опыт эксплуатации показал несостоятельность такого опасения. Смешивание добытой и рабочей жидкостей при подъеме их по обсадной колонне приводило к снижению относительного содержания газа, а также смол и парафинов в смеси и к незначительному отложению их на обсадных трубах [15].
6.2. Наземное оборудование гидропоршневой установки
Наземное оборудование состоит из оборудования устья, силового насосного агрегата, оборудования для подготовки рабочей жидкости, регулирующей и регистрирующей аппаратуры.
Оборудование устья имеет детали для подвески НКТ на колонной головке, многоходовой кран для направления рабочей и отбираемой жидкостей в соответствующие каналы при спуске, работе и подъеме погружного агрегата, пружинного ловителя, свободно сбрасываемого агрегата и мачты с талевой системой с ручным приводом для извлечения агрегата из скважины или спуска его в скважину.
Силовой насосный агрегат состоит из насоса и его привода. Применяется трехплунжерный насос. Увеличенное число ходов плунжером (около 400 в минуту) позволяет выполнить насосы небольших габаритов.
Насосы имеют наибольшее давление 16 и 30 МПа. Подача насосов составляет от единиц до десятков литров в секунду. Параметры насосов зависят от характеристики двигателя погружного агрегата и от того, является ли насос приводом индивидуальной установки (предназначенной для одной скважины) или групповой установки (для нескольких скважин). Насосы подают к скважине жидкость, обычно нефть, очищенную от механических примесей и отделенную от воды и газа. Есть примеры использования в качестве рабочей жидкости воды с присадками, обеспечивающими смазку трущихся частей оборудования.
Приводом насоса чаще всего служит электродвигатель. В некоторых случаях выгодно применять газомотор, работающий на нефтяном газе. Это экономично, поскольку применяется дешевое топливо, и, с другой стороны, газомотор позволяет просто изменять частоту вращения приводного вала силового насоса и регулировать таким образом его подачу.
Оборудование для подготовки рабочей жидкости (при незамкнутой ее циркуляции) имеет сепараторы для отделения газа, воды и механических примесей, отстойники, дозировочные насосы, подогреватели. Обычно применяются сепараторы объемного типа, вертикальные или горизонтальные, с подогревом поступающей смеси для лучшей деэмульсации и снижения вязкости смеси. После объемных сепараторов устанавливают батарею циклонных сепараторов для более тщательной очистки рабочей жидкости от газа и механических примесей. В некоторых установках применяют отстойники большой емкости.
Для улучшения деэмульсации смеси рабочей и добытой жидкостей и отделения воды в смесь иногда подают реагенты-деэмульгаторы. Деэмульгаторы подаются в небольших объемах (десятки граммов на 1 м3 жидкости) дозировочными насосами с малыми подачами. Это обычно одноплунжерные насосы, имеющие регулировку подачи.
105