Насосна експлуатація свердловин

Припинення або відсутність фонтанування свердловин зумовило використання інших способів підйому нафти на поверхню, наприклад, за допомогою штангових свердловинних насосів. Цими насосами обладнано більшість свердловин. Набули широкого використання занурені відцентрові електронасоси. Різноманітність умов підйому рідини в свердловинах сприяла також розробці насосних способів із використанням гвинтових, гідро-поршневих, діафрагмових, гідроімпульсних та інших насосів. Проте їх застосування поки що перебуває на стадії промислового випробування або освоєння.

Відмінна особливість штангової свердловинно-насосної установки (ШСНУ) полягає в тому, що в свердловині встановлюють плунжерний (поршневий) насос, який приводиться в дію поверхневим приводом за допомогою колони штанг.

Схема ШСНУ (рис.9.3) містить наступне обладнання: наземне - верстат-гойдалки (ВГ), обладнання гирла і підземне - насосно-компресорні труби (НКТ), штанги насосні (ШН), штанговий свердловинний насос (ШСН) і різні захисні пристрої, які поліпшують роботу установки в ускладнених умовах.

Основні елементи ВГ - це стояк 17 з балансиром 16, два кривошипи 21 з двома шатунами 19, редуктор 22, клинопасова передача 24, електродвигун 25 і блок керування 28, який під’єднюється до промислової лінії силової електромережі.

Штанговий свердловинний насос складається з циліндра 3, плунжера 4, клапанів всмоктувального 2 і нагнітального 5. Циліндр ШСН прикріплюється до НКТ 6. На нижньому кінці циліндра встановлено нерухомий всмоктувальний кульковий клапан, який відкривається при ході плунжера вверх.

Електродвигун 25 через клинопасову передачу 24 і редуктор 22 придає двом масивним кривошипам 21, розміщеним з двох боків редуктора, обертовий рух.

Кривошипно-шатунний механізм у цілому перетворює обертовий рух кривошипів на зворотно-поступальний рух балансира 16, який гойдається на опорній осі, закріпленій на стояку 17.

Балансир передає зворотно-поступальний рух штангам 7 і через них - плунжеру ШСНУ.

При ході плунжера вверх нагнітальний клапан під дією рідини закривається і вся рідина, яка міститься над плунжером, піднімається на висоту, яка дорівнює довжині ходу плунжера. У цей самий час свердловинна рідина через всмоктувальний клапан заповнює циліндр насоса. При ході плунжера вниз всмоктувальний клапан закривається, рідина під плунжером стискається і відкривається нагнітальний клапан. У циліндр занурюються штанги, пов'язані з плунжером. Таким чином, ШСН – це поршневий насос одинарної дії, а в цілому комплекс із насоса і штанг - подвійної дії. Рідина з НКТ витісняється через трійник II у нафтозбірний трубопровід.

Верстати-гойдалки - це індивідуальний балансирний механічний привід ШСН. Їх випускали згідно із стандартами 1951, 1956 і 1966 р. Нині на верстати-гойдалки типу ВК другої модифікації діє ГОСТ 5866-76, який передбачає 13 типорозмірів ВГ.

Експлуатаційна колона; 2 - всмоктувальний клапан; З - циліндр насосу, 4 - плунжер, 5 - нагнітальний клапан; 6 - насосно-компресорні труби; 7 - насосні штанги; 8 - хрестовина; 9 - гирловий патрубок; 10 - зворотний клапан для перепуску газу, 11 - трійник; 12 - гирловий сальник; 13 - гирловий шток; 14 - канатна підвіска. 15 - головка балансира; 16 - балансир; 17 - стояк; 18 - балансирний вантаж; 19 - шатун; 20 - кривошипний вантаж; 21 - кривошип; 22 - редуктор; 23 - ведений шків - гальмівний шків; 24 – клинопасова передача; 25 - електродвигун; 26 - ведучий шків; 27 - рама; 28 - блок керування.

Рисунок 9.3 – Схема штангової свердловинної насосної установки (ШСНУ)

Змонтована ВГ на рамі, яку встановлюють на залізобетонну основу (фундамент). Для швидкої заміни і натягування пасів електродвигун встановлено на поворотні полозки. У необхідному (крайньому верхньому) положенні головки балансир фіксується за допомогою гальмівного барабана (шківа). Головка балансира відкидна або поворотна для безперешкодного проходження спускопідйомного і глибинного обладнання при підземному ремонті свердловин. Амплітуду руху головки балансира регулюють зміною

місця з'єднання кривошипа з шатуном відносно осі обертання (перестановки пальця кривошипа у відповідний отвір).

Частота руху головки балансира змінюється за рахунок зміни ведучого шківа на валу електродвигуна на інший (більший або менший) діаметр, тобто регулювання роботи ВГ дискретне.

Блок керування забезпечує керування електродвигуном ВГ в аварійних ситуаціях (обрив штанг, поломка редуктора, насоса, прорив трубопроводу), а також самозапуск ВГ після перерви в подаванні електроенергії.

Відомі інші індивідуальні механічні приводи, які містять також двигун, трансмісію і перетворюючий механізм. У балансирних ВГ зі збільшенням довжини ходу точки підвішування штанг збільшуються габаритні розміри окремих вузлів і всієї установки. Велика маса балансира створює великі інерційні навантаження, які погіршують стійкість верстата.

У безбалансирних приводах зворотно-поступальний рух штанг здійснюється за допомогою ланцюга або канатів, перекинутих через шківи-зірочки, що закріплені на нахиленому до гирла свердловин стояку-опорі, тобто в них відсутній балансир. За допомогою безбалансирного верстата можна збільшувати довжину ходу гирлового штока. На відміну від балансирного верстата безбалансирний працює за симетричним циклом, що поліпшує умови роботи вузлів редуктора верстата, а також колони насосних штанг.

Існують ШСНУ з гідроприводом. Відмінна особливість гідропривідних ШСНУ полягає в тому, що НКТ використовується як зрівноважувальний вантаж у поєднанні з об’ємним гідроприводом високого тиску. Установка монтується у вигляді моноблоку безпосередньо на фланці колон обсадних труб, тобто без зведення спеціального фундаменту. Силовим органом служать довгі гідравлічні циліндри з рухомими в них поршнями. Поршень одного циліндра з’єднаний з колоною НКТ, а другого – з колоною штанг. Зворотно-поступальний рух поршнів досягається за рахунок перемикання золотниковим пристроєм закачаної поверхневим силовим насосом рідини в порожнини циліндрів. У разі руху плунжера вниз циліндр свердловинного насоса переміщується вверх і рідина всмоктується. Колони НКТ і ШН переміщуються у протилежних напрямках, а для цього потрібно два сальникових ущільнювачі на риглі.

Гирлове обладнання призначене для герметизації позатрубного простору, внутрішньої порожнини НКТ, відведення продукції свердловини і підвішування колони НКТ. Гирлове обладнання складається з гирлового сальника 12, хрестовини 8 і запірних кранів (див. рис. 9.3).

Самовстановлювані гирлові сальники виробляють двох типів: з одним і двома ущільненнями. Тип сальника вибирають залежно від ступеня газо-проявів і висоти положення статичного рівня рідини в свердловині. Гирловий сальник складається з самовстановлюваної сальникової головки і трійника. Він герметизує вихід гирлового штока за допомогою сальникової головки і забезпечує відведення продукції через трійник. Трійник угвинчують в муфту НКТ. Відмінна особливість сальника полягає в наявності просторового кульового шарніру між головкою сальника і трійником. Кульове з’єднання забезпечує само- встановлення сальника при неспіввісності сальникового штока з віссю НКТ, виключає однобічне спрацювання ущільнення набивки і полегшує процес зміни набивки. Само-встановлювані гирлові сальники розраховані на робочий тиск до 4 МПа.

Колона НКТ підвішена на конусі в хрестовині і розміщена ексцентрично відносно осі свердловини, що дає можливість спускання приладів у позатрубний простір через спеціальний гирловий патрубок 9 з засувкою. Для перепуску газу із затрубного простору в промисловий нафтотрубопровід і запобігання розливанню нафти у випадку обриву гирлового штоку передбачені зворотні клапани. Обладнання іншого типу містить муфтову підвіску НКТ.

Насосні штанги призначені для передавання зворотно-поступального руху плунжеру насоса. Штанга являє собою стрижні круглого перерізу. Випускають штанги з легованих сталей діаметром 12, 16, 19, 22, 25, 28 мм, довжиною 8 м для нормальних і корозійних умов експлуатації. Для регулювання довжини колони штанг з метою нормальної посадки плунжера в циліндр насоса є також укорочені штанги довжиною 1; 1, 2; 1, 5; 2; 3 м. Штанги з'єднуються з'єднувальними і перевідними муфтами. Для цього кінці штанг мають потовщені головки з накатаною різьбою і квадратним перерізом для захоплення ключами. Випускають також пустотілі (трубчасті) штанги з труб (зовнішній діаметр - 42 мм, товщина стінки - 3, 5 мм) з привареними до них головками (з труби діаметром 56 мм, товщиною стінки 12 мм). Їх використовують для експлуатації неглибоких (до 1200 м) свердловин. Особлива штанга - це гирловий сальниковий шток діаметром - 31 або 36 мм, який з'єднує колону штанг з канатною підвіскою. Поверхня його полірована. Розроблюється колона штанг, що намотуються на барабан.

Штангові свердловинні насоси (ШСН) відрізняються різноманітністю конструкцій. Розглянемо їх застосування на вітчизняних промислах за нормальних і ускладнених умов експлуатації. Вони забезпечують подачу 5, 5...400 м³/добу при глибині підвішування насоса до 3500 м. За способом кріплення до колони НКТ розрізняють свердловинні насоси вставні (НСВ) і невставпі (НСН).

Циліндр невставного свердловинного насоса приєднують до колони НКТ і разом з нею опускають в свердловину. Плунжер НСН вводиться через НКТ у циліндр разом із підвішеним до нього всмоктувальним клапаном на насосних штангах. Щоб не пошкодити плунжер під час спуску, його діаметр беруть меншим за внутрішній діаметр НКТ приблизно на 6 мм. Застосовувати НСН доцільно в свердловинах з великим дебітом, невеликою глибиною спуску і більшим міжремонтним періодом. Щоб замінити насос (циліндр), необхідно піднімати штанги і труби.