Рис. 8.7. Схема блочной КНС:
1 – магистральный водопровод; 2 – буферная емкость; 3 – приемный коллектор; 4, 9, 11 – задвижки; 5 – центробежные насосы; 6 – электродвигатели; 7 – задвижки с
дистанцион-ным управлением; 8 – высоконапорный коллектор; 10 – сборный коллектор для грязной воды; 12 – емкость
Применяются трех-, пяти-, семи-, девятиплунжерные насосы одинарного действия, что обеспечивает нормальную работу приемных и напорных трубопроводов, на которых устанавливаются воздушные колпаки с разделительной мембраной. Скорость движения плунжеров достигает 1,2–1,5 м/с, причем в зависимости от длины хода изменяется максимальное число оборотов: для 75 мм – 450–500 мин–1; 100 мм – 400 мин–1; 125 мм – 350 мин–1; 150 мм – 230–260 мин–1.
В настоящее время выявилась тенденция создания быстроходных короткоходовых плунжерных насосов, что позволяет уменьшить их массу за счет уменьшения габаритов рамы и в ряде случаев отказаться от применения редукторов, понижающих число оборотов приводного двигателя. С другой стороны, данное направление приводит к ухудшению условий работы деталей пары уплотнение – плунжер.
Для изготовления плунжеров применяются высокоуглеродистые и нержавеющие хромистые стали с высокой поверхностной твердостью (HRC 55), получаемой в результате обработки ТВЧ. Рабочая поверхность плунжеров полируется, отклонение ее от цилиндрической формы допускается не более 0,01–0,02 мм. Известно использование керамических плунжеров.
Уплотнения плунжеров обычно изготавливаются из маслобензостойких резин или специальных эластомеров.
Вал насоса с двигателем соединяется:
–непосредственно с помощью компенсационной муфты – при использовании в качестве привода тихоходного ДВС или синхронного двигателя;
–с помощью зубчатого редуктора, монтируемого на фланце приводной части
насоса;
–с помощью клиноременной передачи.
Для нагнетания жидкости в пласт применяются центробежные многоступенчатые секционные насосы ЦНС с подачей до 1000 м3/с при давлении 0,4–20 МПа. В зависимости от типоразмера их КПД изменяется от 44 до 80 %.
Напор насосов ЦНС регулируется изменением числа ступеней. Конструкция насоса представляет собой набор секций, зажатых между всасывающей и
132
нагнетательной крышками и стянутых шпильками. Вал насоса установлен на подшипниках скольжения с принудительной смазкой, осевое усилие воспринимается упорным подшипником.
Для повышения долговечности основные детали насоса изготовляют из хромистых сталей: рабочие колеса и направляющие аппараты – литые из стали 20Х13Л, вал –
40ХФА.
Насосный агрегат имеет систему смазки и охлаждения, которая подает масло к подшипникам при пуске и работе насоса, обеспечивает его охлаждение.
Для сокращения расходов на строительство кустовых насосных станций в последние годы начато использование центробежных электронасосов в качестве водозаборных и одновременно нагнетательных, для чего они спускаются в скважины, пробуренные на пласты с водой, пригодной для закачки в нефтесодержащие пласты. В этом случае закачка осуществляется без водоподготовки, а одновременно с забором воды обеспечивается дополнительный напор (до 1200–1300 м), необходимый для нагнетания воды в пласт. Таким образом, вода перепускается из пласта в пласт без контакта с воздухом, т.е. без ее аэрации, без установок водоподготовки, без сооружения кустовых скважин. Однако при этом усложняется контроль и ремонт внутрискважинных насосов, двигателей, снижается КПД насосов и двигателей.
Помимо этого при удачном сочетании расположения водяного пласта и пласта, в который нагнетается вода, используют межпластовый переток, а для обеспечения соответствующего напора устанавливают ЭЦН, обеспечивающий перекачку воды из одного пласта в другой без подъема ее на поверхность.
В отдельных случаях, когда имеется высоконапорный водяной пласт, удается обеспечить подачу в продуктивный пласт без применения ЭЦН, только лишь за счет использования энергии пласта.
Как видно, закачка воды в пласт – процесс весьма энергоемкий. Энергоемкость определяется количеством подаваемой насосами жидкости и необходимым напором, а также КПД привода и насоса. В свою очередь, необходимый напор зависит от длины напорных трубопроводов, глубин нагнетательных скважин, эффективной площади сечения каналов в зоне фильтра – призабойной части пласта, в которой нагнетается вода. И одной из важнейших задач является поддержание параметров этой системы на уровне, обеспечивающем требуемый удельный расход энергии при закачке воды в пласт [7, 10].
8.5.Кустовые насосные станции
Сочистных сооружений вода подается на территорию промысла к кустовым насосным станциям. Кустовые насосные станции поднимают давление воды до давления нагнетания в пласт и направляют ее к водораспределительным гребенкам и далее к нагнетательным скважинам.
Кустовые насосные станции обычно состоят из насосного помещения, высоковольтного распределительного устройства, помещения систем управления и регистрации режимов работы, магистральной гребенки с аппаратурой распределения и регистрации режима подачи воды к скважинам и бытового помещения. Кустовая насосная станция раньше размещалась в кирпичном или шлакобетонном здании. При этом существенную долю затрат составляет стоимость строительства станции и прокладки трубопроводов. Зачастую строительство станции занимало по времени более года.
Для сокращения времени и стоимости строительных работ в последние годы внедряются блочные кустовые насосные станции – БКНС (рис. 8.8). В них сама станция монтируется из подготовленных на заводе блоков (насосного, распределительного устройства, водораспределительной гребенки, управления и других блоков). БКНС состоит из двух насосных блоков, блока низковольтной аппаратуры управления, блока
133
общестанционных щитов и блока гребенки. Каждый блок имеет плиту, предназначенную для крепления на них оборудования и для монтажа легкого укрытия. Фундаментов под насосы и стены не требуется. Такое решение отдельных блоков станции позволяет сократить сроки монтажа станции до 2 – 3 мес. и снизить ее стоимость.
Рис. 8.8. План компоновки БКНС
Блоки: I – насосный; II – низковольтной аппаратуры; III – управления; IV – гребенки; 1 – бак маслосистемы; 2 – центробежный насос; 3 – зубчатая муфта;
4 – электродвигатель; 5 – пост местного управления; 6 – приемный коллектор; 7 – задвижка; 8 – манометровая колонка; 9 – всасывающий трубопровод;
10 – трубопровод дренажных вод; 11 – задвижка с электроприводом; 12 – обратный клапан; 13, 21 – напорные трубопроводы; 14 – трубопровод отвода воды; 15 – щиты станции управления; 16 – бак дренажных вод; 17, 25 – печи отопления ПЭТ-2; 18 – общестанционные щиты; 19 – переход; 20, 22 – регулирующие вентили;
23 – сбросный коллектор; 24 – шкаф управления; 26 – шкаф дифманометров; 27 – напорный коллектор
Насосный блок имеет насосный агрегат, состоящий из бака маслосистемы, центробежного насоса, зубчатой муфты, соединяющей насос с электродвигателем. В баке маслосистемы смонтированы масляный насос, который включается до запуска
134
насоса ЦНС, фильтры и система охлаждения масла. В насосном блоке смонтирован пост местного управления. От приемного коллектора вода через задвижку, манометровую колонку и всасывающий трубопровод поступает в насос. На выкиде насоса установлены задвижка с электроприводом, обратный клапан, напорный трубопровод. Дренажная вода по трубопроводу идет в бак дренажных вод. Нагнетаемая вода от нескольких насосных агрегатов собирается трубопроводом и через переход направляется в напорную гребенку. В напорной гребенке установлены регулировочные вентили, напорные трубопроводы, сбросный коллектор, шкаф управления, шкаф дифманометров.
В блоке низковольтной аппаратуры установлены общестанционные щиты, а в блоке управления – щиты станции управления. Все блоки имеют печи отопления.
На этих станциях применяются центробежные насосы типа ЦНС с номинальной подачей 180 м3/ч воды и напором от 900 до 1900 м. Выпускается насос и на подачу 500 м3/ч с напором 1400, 1650 и 1900 м. Мощность приводных электродвигателей насосов типа ЦНС составляет от 800 до 4000 кВт.
Каждая секция насоса ЦНС (рис. 8.9) секционного типа состоит из рабочего колеса 6, направляющего аппарата 5 и корпуса секции 4. Рабочие колеса и направляющие аппараты литые, из стали марки 20Х13Л. Корпусы секций – поковки из стали марки 40ХФА. Число секций определяет напор насоса. Сборка секций закрыта кожухом 3. Секции с одной стороны имеют крышку всасывания 2, с другой – крышку нагнетания 8. Со стороны крышки нагнетания имеется разгрузочный диск 9, воспринимающий осевые усилия, действующие на вал. На рис. 8.10 показан узел разгрузочного диска и сальника, а также разрез по А–А (см. рис. 8.9) подшипника 1.
Рис. 8.9. Схема насоса ЦНС
Жидкость, проходящая от нагнетания через щель разгрузочного диска, попадает в полость, соединенную со всасывающим патрубком насоса. Сальник 10 имеет щелевое уплотнение с винтовой канавкой, нарезанной на втулке вала. При вращении вала винтовая нарезка гонит воду к разгрузочному диску, уменьшая утечки жидкости. Конечный сальник 10 имеет мягкое уплотнение из асбесто-графитовых колец АГ-1. Между щелевым и конечным сальниками имеется полость, из которой утечки отбираются в дренажную систему.
135
Рис. 8.10. Схема разгрузочного диска и сальников (а), сечение подшипника ЦНС (б)
Рис. 8.11. Схема смазки и водяных коммуникаций насосного агрегата ЦНС: 1 – электродвигатель; 2 – насос; 3 – линия для соединения стороны нагнетания со всасыванием; 4 – маслоохладитель; 5 – масляные фильтры;
6 – пусковой маслонасос; 7 – масляный бак
136
Сборка секций и крышек стянута длинными шпильками 7. Подшипники 1 расположены по обе стороны сборки секций и крышек. Конструкции их идентичны. В разрезе по А–А (см. рис. 8.10, б) видны место подвода масла к подшипнику и место его слива.
На рис. 8.11 приведена схема смазки насосного агрегата ЦНС и водяные коммуникации в агрегате. Масляные трубопроводы показаны сплошной линией, водяные – пунктиром. Смазываются подшипники электродвигателя, зубчатая муфта, подшипники насоса. Перед запуском насоса ЦНС смазка подается пусковым маслонасосом 6. При достижении давления масла 0,1 МПа включается насос ЦНС, и тогда начинает работать основной маслонасос, расположенный справа у торца вала насоса ЦНС. Пусковой маслонасос отключается после 5 мин работы насоса ЦНС. Масло охлаждается в маслоохладителе водой, которая подается в дренажную систему из полости между сальниками 10 и полости за концевым сальником (см. рис. 8.10). При эксплуатации возможны случаи, когда к сальникам надо подать воду, например, после длительной стоянки насоса, для того чтобы мягкое уплотнение концевого сальника не работало «всухую» [7].
8.6. Оборудование для гидроразрыва пласта
Гидроразрыв пласта основан на неоднородности (слоистости) структуры нефтесодержащих пластов, способности их расслаиваться под воздействием закачиваемой в пласт жидкости.
Процесс осуществляется нагнетанием в пласт под большим давлением порции жидкости гидроразрыва, что приводит к образованию послойных трещин, в которые сразу же закачивается жидкость-песконоситель, продавливаемая с помощью буферной жидкости. Крупнозернистый песок, заполняя трещины, создает высокопроницаемые слои, улучшающие приток жидкости к фильтру скважины.
Процесс гидроразрыва – быстротечный, эффективность его находится в прямой зависимости от темпа проведения операций собственно разрыва и заполнения трещины песком. Поэтому комплекс оборудования отличается высокой подачей и большими давлениями нагнетания. Необходимость в высоких давлениях (более 100 МПа) и больших подачах привела к использованию высоконапорных насосов и параллельной работе нескольких агрегатов, с мощными приводами и сложной обвязки. Дорогостоящее оборудование должно быть высокомобильным, быстро монтируемым, поэтому оно выполняется блочным и монтируется на автомобилях, что позволяет выполнять одним комплектом оборудования большое число гидроразрывов.
Основное оборудование для гидроразрыва пласта: автоцистерны для трех жидкостей – гидроразрывной, песконосителя, буферной, насосные агрегаты высокого давления для подачи гидроразрывной жидкости, пескосмесители, насосные агрегаты для закачки смеси песка с жидкостью-песконосителем, манифольд, оборудование устья скважины, комплект внутрискважинного оборудования – НКТ, якорь, пакер.
Автоцистерны. Требования к автоцистернам для гидроразрыва: наличие емкости заданного объема, средств стабилизации температуры жидкости, средств перекачки жидкости. Автоцистерна должна обладать хорошей проходимостью и быть или самоходной, или перевозимой тягачом.
Наиболее вместимой является цистерна ППЦ-23-5524П, включающая в себя собственно цистерну, насосный блок с трансмиссией, манифольд, систему самовсасывания и другое оборудование, смонтированное на автомобиле КрАЗ-257 и полуприцепе. Эта цистерна предназначена для перевозки неагрессивных жидкостей, подачи их на прием насосных установок при гидроразрыве, гидропескоструйной перфорации, кислотной обработке призабойной зоны.
137
Оборудование, установленное на цистерне, может обеспечить наполнение цистерны жидкостью из посторонней емкости; подачу жидкости из собственной или посторонней емкости с замером ее количества на прием насоса высокого давления.
Жидкость перекачивается насосным блоком, приводимым в действие ходовым двигателем через коробку отбора мощности и трансмиссию.
ТЕХНИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЦИСТЕРНЫ ППЦ-23-5524П
Вместимость цистерны, м3…………………………………………………….. 23
Наибольшая подача собственного насоса, л/с………………………….......... 37,5
Наибольшее давление, МПа…………………………………………………… 0,98
Цистерны других марок отличаются от описанной вместимостью, транспортной базой, подачей насосов. Однако общим для всех них является следующее.
Конструкция цистерны представляет собой емкость эллиптического или круглого сечения, сваренную из отдельных листов. В качестве насосов для заполнения или перекачивания жидкости используются центробежные самовсасывающие насосы, приводимые в действие ходовым двигателем. От коробки отбора мощности автомобиля энергия двигателя передается трансмиссией к насосному блоку.
Цистерны имеют дополнительное оборудование для контроля режима работы насосов: тахометр, манометр и т.п. Автомобили, на которых смонтировано оборудование, снабжаются искрогасителями, приспособлениями для закрепления манифольда и т.п.
Насосные агрегаты. Требование к насосным агрегатам: гидроразрывная и буферная жидкости должны закачиваться одним и тем же агрегатом с автономным приводом. Насосы агрегата должны иметь большую подачу и создавать давление, необходимое для гидроразрыва в условиях района применения.
Для создания давления используются насосные агрегаты 4АН-700 (рис. 8.12), смонтированные на шасси автомобиля КрАЗ-257. Оборудование агрегата включает в себя силовую установку, коробку передач, горизонтальный трехплунжерный насос 4Р700, манифольд и систему управления.
Силовая установка состоит из дизеля с многодисковой фрикционной муфтой сцепления, центробежного вентилятора, систем питания, охлаждения, смазки и других узлов. В качестве двигателя используется V-образный 12-цилиндровый четырехтактный дизель с непосредственным впрыском топлива и турбонаддувом. Коробка скоростей четырехступенчатая, обеспечивает следующие передаточные отношения: 4,67; 3,43; 2,43; 1,94.
Насос 4Р-700 трехплунжерный, горизонтальный, одинарного действия. Его конструкция предусматривает работу с плунжерами диаметром 100 или 120 мм. При этом максимальная подача составляет 22 л/с при давлении 21 МПа, а минимальная – 6,3 л/с при давлении 70 МПа.
Пескосмеситель. Агрегат должен обеспечивать перевозку песка и приготовление песчано-жидкостной смеси. Агрегаты имеют две емкости для заполнения песком двух фракций – мелкой и крупной. Бункер оснащен загрузочным шнеком, приводимым в действие гидромонитором. Гидропривод работает от ходового двигателя автомобиля. Для исключения образования песчаных пробок и прилипания песка к стенкам емкости на ней смонтированы вибраторы. Привод вибраторов пневматический от ходового компрессора.
Песчано-жидкостная смесь получается в гидросмесителе, оснащенном рабочим шнеком с гидроприводом. Производительность 50–75 т/ч. Смесь накапливается в аккумуляторе с лопастными мешалками и гидромоторами для исключения осаждения песка. Вместимость аккумулятора – 1–1,5 м3. Из аккумулятора к насосным агрегатам смесь подается песковым насосом.
138