Поднятая на поверхность жидкость через боковой отвод устьевого сальника поступает в промысловый коллектор. В зависимости от специфических особенностей промыслов или отдельных скважин применяют и другие конструкции элементов ШСНУ.
Как видно, ШСНУ представляет собой насосный агрегат, вертикальный габарит которого соответствует расстоянию от штангового скважинного насоса (ШСН) до привода. В результате его гидравлическая часть – плунжер с цилиндром – удалена от механической, т.е. привода, расположенного на поверхности до 3000–4000 м. Эта же величина и определяет вертикальный габарит всей установки в целом. Диаметральные размеры гидравлической части установки, т.е. колонн НКТ, штанг и скважинного насоса, весьма малы по сравнению с линейными.
Из-за этих особенностей ШСНУ на работу существенно влияют упругие деформации ее наиболее длинных элементов – колонны штанг и НКТ, а также собственные веса подвижных частей установки, которые соизмеримы с полезными нагрузками, возникающими в процессе подъема пластовой жидкости. Все это определяет конструктивные особенности основных элементов и узлов ШСНУ [7, 15].
4.2. Скважинный штанговый насос
Скважинный штанговый насос представляет собой одноплунжерный насос с длинным цилиндром, шариковыми клапанами и длинным проходным плунжером (рис. 4.4). При ходе плунжера вверх он нагнетает жидкость, находящуюся между стенками цилиндра и штангами, а в полость под плунжером поступает жидкость из скважины. При ходе вниз насос нагнетает (выжимает) объем жидкости, равный объему опускающегося в цилиндр штока, т.е. это насос дифференциального действия.
Рис. 4.4. Схемы штанговых трубных насосов:
1 – шток клапана; 2 – муфты; 3 – втулки; 4 – кожух; 5 – плунжер; 6 – выходной клапан; 7 – захват клапана; 8 – крестовина; 9 – входной клапан; Vм – мёртвое пространство цилиндра насоса
По конструкции насосы бывают с щелевым уплотнением зазора между металлическим плунжером и цилиндром и с упругим уплотнением этого зазора – с неметаллической рабочей поверхностью плунжера. И те и другие, в свою очередь, делятся на трубные и вставные. У первых цилиндр спускается на трубах, а плунжер и
51
клапаны – на штангах. Другие полностью спускаются в скважину на штангах, и их цилиндр закрепляется в нижней части труб замком.
По конструкции захватного устройства для съема всасывающего клапана трубные насосы бывают с захватным штоком (см. рис. 4.4, а) и специальным захватом
(см. рис. 4.4, б).
К основным параметрам насосов относятся номинальный диаметр плунжера (или цилиндра) и длина хода плунжера. Плунжеры длиной 1200 мм рекомендуется применять до глубины 1500 м, 1500 мм – до 2000 м, 1800 мм – более 2000 м.
Штанговые насосы широкого применения. Современные скважинные штанговые насосы, широко применяемые на промыслах, имеют втулочный или цельнометаллический цилиндр.
Втулочный насос (см. рис. 4.4) имеет цилиндр, набранный из втулок 3 длиной по 300 мм, размещенных в кожухе 4 и зажатых муфтами 2. К нижней муфте подсоединен входной клапан 9. В цилиндре находится плунжер 5 с выходным клапаном 6.
Насос с цельнометаллическим цилиндром (НСВ1Б, НСН2Б) имеет цилиндр (одна деталь) с концевыми резьбами. К нижней резьбе подсоединен всасывающий клапан. В цилиндре находится плунжер с нагнетательным клапаном. Цельнометаллический цилиндр представляет собой цилиндрическое тело, внутренняя поверхность которого является рабочей. Эта поверхность имеет малую шероховатость, высокую точность обработки и большую твердость, такую же, как и у втулок втулочного цилиндра.
Переход от втулочного к цельнометаллическому цилиндру позволяет снизить трудоемкость сборки насоса и изготовления цилиндра. Ликвидируется возможность сдвига втулок при транспортировке и эксплуатации насосов. Насосы с цилиндром без втулок изготавливаются трубными и вставными.
Насос (см. рис. 4.4, а) состоит из штока с утолщением в верхнем конце, служащего для съема всасывающего клапана с его посадочного конуса и подъема клапана на поверхность вместе с плунжером. Цилиндр остается подвешенным на трубах. Нагнетательный клапан находится в верхней части плунжера. На данном рисунке показано нижнее положение плунжера при рабочем ходе. Подъем на поверхность всасывающего клапана удобен и прост. Но наличие штока в конструкции создает большое мертвое пространство Vм в цилиндре насоса, что является причиной его плохой работы даже при небольшом газосодержании в жидкости. Для устранения этого недостатка необходимо уменьшить мертвое пространство в насосе. Для этого нагнетательный клапан переносят в нижнюю часть плунжера и применяют специальный захват 7 и крестовину 8 для съема всасывающего клапана (см. рис. 4.4, б). Насос такой конструкции имеет преимущество – небольшое мертвое пространство Vм в цилиндре, что улучшает его работу при наличии свободного газа в жидкости. Однако захват и подъем на поверхность всасывающего клапана – обычно трудоемкая и не всегда успешная операция.
Вставной насос имеет следующую конструкцию (рис. 4.5). Насос 5 опускают внутрь колонны НКТ 1, в которой установлено седло-конус 3 для посадки вставного насоса. Конус иногда имеет захватную пружину 4. Силы трения в конусе или силы трения и пружина, упирающаяся в выступ насоса, способствуют удержанию насоса на месте в начале работы при ходе плунжера вверх. К достоинствам насоса относится то, что при его смене все части поднимаются на штангах. Плунжер, имеющий нагнетательный клапан в нижней своей части, создает малое мертвое пространство. Но, поскольку насос спускается в НКТ, он имеет меньший диаметр плунжера, чем трубный насос, спускаемый с теми же НКТ. Это ограничивает подачу вставного насоса, а также снижает скорость жидкости в НКТ. Последнее важно при отборе жидкости с песком, так как вынос его будет хуже. Однако обратный клапан 2 предохраняет от попадания песка в цилиндр при остановках насоса.
52
Современные вставные насосы с установочным замком в верхней части и с замком внизу выпускаются по отраслевому стандарту со сдвоенными впускными и сдвоенными выпускными клапанами. Такое дублирование клапанов принято потому, что вставные насосы предназначены для спуска на большую глубину, чем трубные.
Рис. 4.5. Схема вставного насоса:
1 – НКТ; 2 – обратный клапан; 3 – седло; 4 – пружина; 5 – насос; 6 – направление
Выпускаются также трубные насосы с автоматическим сцеплением штанг со штоком плунжера насоса. Эти насосы с их цилиндром, плунжером и клапанами спускаются на НКТ. Штанги спускаются после спуска насоса на заданную глубину и автоматически скрепляются со штоком плунжера. Предусмотрено автоматическое раскрепление соединения перед подъемом насоса.
Такая схема насоса позволяет спускать цилиндр с диаметром больше, чем внутренний диаметр НКТ. Это дает экономию металла и позволяет иметь большую скорость потока жидкости при подъеме ее на поверхность. Последнее важно при отборе жидкости с песком для уменьшения возможности его оседания.
Все насосы с металлическим плунжером и цилиндром имеют унифицированные детали. В зависимости от величины зазора между плунжером и цилиндром поставляются насосы трех классов: 1) 0 – до 0,045 мм; 2) I – до 0,070 мм; II – до 0,120 мм, возможен заказ насосов с зазором до 0,170 мм. При оснащении скважины насосом его класс выбирают в зависимости от вязкости откачиваемой жидкости, содержания в ней песка, размера его частиц и т.д.
Плунжеры насосов изготавливают из стали и покрывают износоустойчивым слоем хрома толщиной до 70 мкм. Плунжер может иметь концентричные или винтовые канавки, насечку. Канавки и насечка предохраняют плунжер от заклинивания песком. Для скважин с большим выносом песка применяют плунжер, имеющий скошенную внутрь плунжера верхнюю кромку и углубленную в плунжер клетку, соединяющую его со штангами. Таким образом, плунжер удаляет песок со стенок цилиндра. Песок попадает к клетке, из которой идет откачиваемая жидкость, подхватывающая песок.
Втулки цилиндра выполняют из чугуна, Стали 45 или 38Х2МЮА. Для упрочнения внутренней поверхности втулок их подвергают термообработке. Втулки из чугуна и Стали 45 подвергают закалке, а из стали марки 38Х2МЮА – азотированию на глубину 0,2–0,5 мм. В результате термообработки твердость внутренней поверхности втулок
53
доводится у чугуна до HRC 36–45, у Стали 45 – до HRC 50 и у стали марки 38Х2МЮА – до HRA 80 и более.
Втулки выполняют с большой точностью, так как в наборе их может быть 12 и более. Контакт их торцов при сжатии втулок должен быть герметичен, а внутренняя полость сборки втулок должна представлять собой прямолинейный цилиндр с малой шероховатостью и малым отклонением в размерах.
Цельнометаллический цилиндр изготовляется из стали марки 40Х. К внутренней поверхности его предъявляются те же требования, что и к втулочному цилиндру. Клапаны насосов шариковые. Шарик притирается к седлу. Седло имеет меньшую твердость, чем шар, что увеличивает срок службы этой пары. Рабочая кромка седла углублена и защищена «ложной» фаской от ударов шаром.
Насосы с неметаллической рабочей поверхностью плунжера. Насосы этого типа могут иметь гуммированный плунжер (рис. 4.6) или плунжер с манжетами. Гуммированный плунжер изготовляют вулканизацией или приклеиванием резиновых частей к плунжеру. Верхнее уплотнение имеет подвод жидкости из плунжера в свою внутреннюю полость. Поскольку нагнетательный клапан расположен внизу плунжера, под действием давления жидкости распирается верхнее уплотнение. Остальные гуммированные части изготовлены так, что входят в цилиндр с натягом и тоже воспринимают определенную часть перепада давления. На плунжере обычно имеется четыре-шесть гуммированных уплотнений или манжет.
Рис. 4.6. Схема гуммированного плунжера
Цилиндры этих насосов делают без втулок и с втулками. Размер диаметра цилиндра не требует высокой точности, но поверхность его должна иметь весьма малую шероховатость. Такие насосы значительно дешевле втулочных. Но большого перепада давления они не выдерживают и предназначены для малых и средних глубин динамического уровня. Ограничено также содержание песка в жидкости. Цилиндр насоса имеет невысокую твердость, поэтому пара резина – сталь недостаточно износоустойчива. Трубный насос не рекомендуется применять при отложении солей: при спуске и подъеме плунжера манжеты могут быть повреждены. Поскольку в этих насосах цилиндр может быть без втулок, диаметр плунжера, а следовательно, и подача насоса могут быть большими.
Насосы для осложненных условий эксплуатации. Имеются некоторые насосы,
схемы которых отличны от широко применяемых. Это, прежде всего, насосы для отбора жидкости с большим содержанием воды и песка.
Широко используются насосы с гидрозащитой (рис. 4.7). Для уменьшения утечек и предотвращения попадания песка в зазор между цилиндром 1 и плунжером 4 над плунжером находится вязко-пластичная жидкость 3. Откачиваемая жидкость давит на поршень-разделитель 2, поджимая вязко-пластичную жидкость, которая заполняет зазор между плунжером и цилиндром. Свойства жидкости способствуют снижению утечек через зазор. Для создания начала течения вязко-пластичной жидкости необходимо преодолеть предельное напряжение сдвига (τ0) и далее обеспечить деформацию вязкого тела | μ = dε/dt |. Испытания таких насосов показали, что межремонтный срок их работы увеличен примерно на 30 %.
54
Рис. 4.7. Схема насоса с гидрозащитой |
Рис. 4.8. Схема насоса для отбора |
|
вязких жидкостей |
Для отбора из скважин высоковязкой жидкости выпускаются насосы с двумя плунжерами по схеме, представленной на рис. 4.8. При ходе плунжера вниз давление столба жидкости в НКТ будет передаваться на верхний плунжер 6 и выходной клапан 5. При этом под плунжером 6 и клапаном 5 будет давление всасывания, так как жидкость из скважины будет поступать через открытый клапан 3 в полость 4. Таким образом, при ходе плунжеров и штанг вниз создается сила, действующая сверху вниз и растягивающая шток 8 и штанги, что предупреждает зависание штанг в вязкой жидкости и их продольный изгиб. При отборе высоковязкой жидкости и обычных схемах штанговых насосов трение штанг о жидкость не позволяет штангам достаточно быстро опускаться, головка балансира опускается вниз быстрее штанг и работоспособность установки нарушается.
Подача такого насоса определяется длиной хода и разностью площадей цилиндра 1 нижней насосной части (с плунжером 2) и цилиндра 7 верхней насосной части.
Насосы выпускаются двух типоразмеров с диаметрами цилиндров 38/55 и 55/43. В последнем насосе входной клапан расположен в корпусе цилиндра нижней части насоса, а выходной – в его плунжере.
Жидкость перемещается по плунжерам в полость 4 над верхним плунжером. Полость 4 не сообщена с проходными каналами плунжеров и штока. Она соединена со скважиной, в ней постоянное давление, равное давлению на приеме насоса. Таким образом, давление создает силу, действующую на плунжер вниз [15].
Цилиндры и клапаны штанговых скважинных насосов. По способу крепления к колонне НКТ насосы делятся на невставные (трубные) и вставные. Цилиндр трубного насоса присоединяется к колонне НКТ и вместе с ней спускается в скважину. Трубные насосы имеют простую конструкцию, и их применяют в скважинах с большим дебитом и значительным межремонтным периодом, так как для смены или ремонта цилиндра насоса необходимо поднимать всю колонну труб.
55
Цилиндр вставного насоса спускается внутри труб на колонне штанг и монтируется на них с помощью специального замкового соединения. Это позволяет менять вставной насос без спуска и подъема труб. Но при одинаковых диаметрах плунжеров вставной насос требует применения НКТ большого диаметра. Так, например, трубный насос с диаметром плунжера 43 мм можно спустить на 60-миллиметровых трубах, а вставной с плунжером того же диаметра требует применения НКТ большого диаметра – 73 мм.
Скважинные штанговые насосы с втулочными цилиндрами и металлическими плунжерами предназначены для откачки пластовой жидкости с содержанием воды до 99 %, динамической вязкостью до 0,1 Па·с, с содержанием H2S до 0,1 % (в объеме), твердых механических примесей до 0,5 %, с температурой до 130 °С.
Основные схемы трубных насосов приведены на рис. 4.9. Они различаются конструкцией устройств для извлечения всасывающего клапана, числом клапанов и способом уплотнения зазора между плунжером и цилиндром.
Рис. 4.9. Основные схемы трубных насосов
В насосах с небольшой длиной хода (см. рис. 4.9, а) используется конструкция с тяговым штоком для поднятия всасывающего клапана без каких-либо дополнительных операций для ловли захватного приспособления. К недостаткам этой конструкции относится наличие значительного вредного пространства, необходимого для размещения тягового штока во внутренней полости плунжера.
Насосы остальных типов снабжены специальным замком, который при опускании плунжера в нижнее положение и повороте его колонной штанг позволяет захватить и поднять приемный клапан.
Насосы (см. рис. 4.9, б) снабжены двумя нагнетательными клапанами. Плунжер насоса (см. рис. 4.9, в) применяется в скважинах, дающих пластовую жидкость с большим количеством песка.
Зазор между плунжером и цилиндром уплотняется либо гидравлически – за счет создания малого зазора большой длины, обеспечивающего необходимый перепад давления над и под плунжером, либо эластичными манжетами (см. рис. 4.9, г).
56