Обладнання для експлуатації свердловини механізованими способами

ЛЕКЦІЯ №1.5

Обладнання для експлуатації свердловин механізованими способами. ШТАНГОВІ СВЕРДЛОВИННІ НАСОСНІ УСТАНОВКИ

Обладнання для експлуатації свердловин механізованими способами. Класифікація обладнання. Галузь застосування. Основи компонування.

Штангові свердловинні насосні установки. Виконувані функції, умови експлуатації та експлуатаційні вимоги до властивостей і технічних показників ШСНУ. Склад й особливості конструкцій обладнання ШСНУ. Аналіз факторів, які визначають ефективність роботи установок ШСНУ та їх технічний стан.

План

Обладнання для експлуатації свердловини механізованими способами

Штангові свердловинні насосні установки. Виконувані функції, умови експлуатації та експлуатаційні вимоги до властивостей і технічних показників ШСНУ. Склад й особливості конструкцій обладнання ШСНУ

Типи приводів штангових свердловинних насосів

Аналіз факторів, які визначають ефективність роботи установок ШСНУ

Список використаної літератури

1) Молчанов Г.В., Молчанов А.Г. Машины и оборудование для добычи нефти и газа: Учебник для вузов. – М.: Недра, 1984. – 464 с.

2) Справочник по нефтепромысловому оборудованию/ Под ред. Е.Н.Бухаленко. – М.: Недра, 1990. – 550 с.

3) Молчанов Г.В., Чичеров Л.Г. Нефтепромысловые машины и механизмы. – М.: Недра, 1983. – 308 с.

4) Онищенко О.Г., Матвієнко А.М. Машини та обладнання для видобутку нафти і газу: Навчальний посібник. – Полтава: Видавництво ПолтНТУ, 2009. – 409 с.: іл.: 209, табл.: 26; бібліограф. 34 назви

5) Світлицький В.М., Кривуля С.В., Матвієнко А.М., Коцаба В.І. Машини та обладнання для видобування нафти і газу: Довідковий посібник. — Харків «КП «Міська друкарня»», 2014 р. – 352 с.

ОБЛАДНАННЯ ДЛЯ ЕКСПЛУАТАЦІЇ СВЕРДЛОВИНИ МЕХАНІЗОВАНИМИ СПОСОБАМИ

Як відомо, після припинення фонтанування нафтової свердловини виникає необхідність у застосуванні одного із способів примусового підняття вуглеводневої сировини на земну поверхню.

У більшості випадків із цією метою застосовують насосні способи видобутку нафти.

До основних способів експлуатування свердловини механізованим способом належать:

– експлуатація свердловин штанговими свердловинними насосними установками;

– експлуатація свердловин безштанговими гідропоршневими насосними установками;

– експлуатація свердловин відцентровими та гвинтовими електронасосними установками.

Найбільшого поширення одержав спосіб підняття вуглеводневої сировини за допомогою СШН (свердловинного штангового насоса). При цьому способі плунжер глибинного насоса приводиться в дію за допомогою наземного привода, котрий передає зусилля та зворотно-поступальний характер руху плунжерові через колону насосних штанг. Уся установка в цілому називається свердловинна штангова насосна установка (СШНУ).

Цей спосіб видобутку нафти є найбільш поширеним саме тому, що використання глибинних штангових насосів дозволяє проводити видобуток нафти зі свердловин із малим дебітом та великим вмістом абразиву, хімічних домішок і парафіну.

СШНУ доцільно використовувати в свердловинах із глибинами видобутку до 2000 м на дебітах до 50-65 м³/добу. Однак відомі випадки використання цих установок на більших глибинах та дебітах.

Існують випадки, коли продуктивний пласт здатен забезпечити дебіт до 150-350 або навіть до 500-700 м³/добу зі свердловин із середньою глибиною підвіски до 1900-2200 м.

У цих випадках доцільно використовувати відцентрові насоси (рисунок 1.1), які забезпечують максимальну, порівняно з насосами інших типів, подачу. Ці насоси не вимагають проміжних передач для зменшення частоти обертання вала порівняно з частотою обертання привідного двигуна, і в них відсутній періодичний характер роботи. Тому заглибні відцентрові насоси знаходять усе більше застосування при експлуатації високодебетних обводнених (до 99 % води) і похилих свердловин.

Свердловинна установка оснащена заглибним відцентровим насосом (рисунок 1.5.1) і складається із заглибного агрегату, що включає: спеціальний заглибний маслонаповнений електродвигун 1, протектор 2 і відцентровий багатоступінчастий насос 3, спеціальний кабель 4, прикріплений до колони НКТ 5 хомутами 6. За допомогою гирлового устаткування 8, установленого на колонній голівці експлуатаційної колони 7, підвішена колона НКТ. На поверхні поряд зі свердловиною встановлюється кабельний барабан 9 і автотрансформатор 10 зі станцією керування 11. На кабельному барабані передбачений запас кабелю для збільшення глибини спуску заглибного агрегату, а під час підземного ремонту на нього намотується кабель, спущений у свердловину. Вище від насоса встановлюється зворотний клапан, що полегшує пуск установки після її простою, а над зворотним клапаном – спускний клапан для зливу рідини з внутрішньої порожнини НКТ при їхньому підйомі.

Рисунок 1.5.1 – Установка заглибного відцентрового насоса

У тому випадкові, коли необхідно поєднати переваги електровідцентрових занурюваних насосних установок та працювати на малих дебітах необхідно застосовувати гвинтові насосні установки (рисунок 1.5.2).

Головним робочим органом таких установок є гвинт та гумова обойма. Ці установки останнім часом широко впроваджуються у нафтовидобувну промисловість України. Це стало можливим, коли були проведені масштабні роботи з підвищення їхньої надійності та впровадження якісно нової конструкції привода.

Глибинний гвинтовий насос має два робочих гвинти 4 і 7 т дві обойми 3 і 6. Прийом рідини зі свердловини ведеться через дві фільтруючі сітки 2. Рідина, що нагнітається, надходить у порожнину між гвинтами й за обоймою 3 проходить до запобіжного клапана 1 і далі в насосно-компресорні труби. Привід насоса йде від двигуна через протектор 10, пускову муфту 9 і вал 8. Шарнірні муфти 5 дають можливість осям гвинтів обертатися по колу з радіусом, рівним ексцентриситету. Осьові зусилля від двох гвинтів прикладаються до муфти, розташованої між ними, і взаємно компенсуються.

Рисунок 1.5.2 – Схема гвинтового свердловинного насоса

Існують також діафрагмові глибинні насоси, в яких основним робочим органом є гумово-тканинна діафрагма, яка, переміщуючись зворотно-поступально, створює розріджене середовище, що сприяє руху відкачуваної рідини на земну поверхню для подальшої переробки. Насоси цього типу не дістали широкого вжитку, оскільки вони не володіють такою важливою якістю, як надійна та довговічна робота на різних режимах відкачування пластових флюїдів. Галузь раціонального застосування таких насосів близька до гвинтових. Перспективним напрямом експлуатації нафтових свердловин є широке впровадження гідропоршневих насосних установок (рисунок 1.5.3). Цей тип обладнання забезпечує видобуток нафти з глибин до 2000-2500 і навіть до 4500 м при подачах від 15 до 800-1000 м3/добу.

Як бачимо ці, установки здатні забезпечувати можливість роботи на найбільших серед насосних установок продуктивних горизонтах, що досить актуально для умов роботи нафтових промислів на території України.

Рисунок 1.5.3 – Конструкція гідропоршневої насосної установки:

1 – резервуар; 2 – гідравлічний насос; 3 – сепаратор; 4 – колона НКТ внутрішня; 5 – колона НКТ зовнішня; 6 – плунжер; 7 – хвостовик

Штангові свердловинні насосні установки. Виконувані функції, умови експлуатації та експлуатаційні вимоги до властивостей і технічних показників ШСНУ. Склад Й особливості конструкцій обладнання ШСНУ

В основу розгляданого способу експлуатації свердловин покладене використання об'ємного насоса, що спускається в свердловину і приводиться в дію приводом, розташованим на поверхні. Привід та свердловинний насос з'єднані за допомогою механічного зв'язку – колони насосних штанг. Весь цей комплекс устаткування називають штанговою свердловинною насосною установкою (ШСНУ).

У нашій країні більше ніж 60 % діючого фонду свердловин експлуатується ШСНУ.

Основними параметри, що характеризують ШСНУ, є:

– подача, зумовлена кількістю пластової рідини, що піднімається в одиницю часу (м³/добу). Оскільки пластова рідина складається із суміші нафти, води, газу, піску, солей і кількох інших домішок, то в характеристиці ШСНУ звичайно вказують подачу всієї рідини й нафти;

– напір, що створюється глибинним насосом, обумовлений глибиною підвіски свердловинного насоса з урахуванням підпору на його прийомі. В свою чергу величина підпору при роботі в сталому режимі зумовлена насамперед динамічним рівнем пластової рідини. Крім цього, тиск залежить від щільності рідини, гідравлічного опору труб, протитиску на усті свердловини і т.д.;

– ККД ШСНУ обумовлений відношенням роботи привідного двигуна до корисної роботи з підйому пластової рідини установкою. Визначення ККД установки досить складне і значною мірою залежить від особливостей кожної свердловини. Так, використання енергії газу, розчиненого в рідині, може різко збільшити ККД установки, а збільшення в'язкості пластової рідини – знизити його;

– гідравлічний ККД ШСНУ, обумовлений відношенням корисного об’єму вуглеводневої сировини, який видобувається за один робочий цикл установки, до теоретичного об’єму;

– маса установки, що включає масу її підземного обладнання і надземної частини. Збільшення маси установок здорожує установку, ускладнює обслуговування й ремонт. Крім того, велика маса приводить до необхідності спорудження дорогого та трудомісткого у виготовленні фундаменту.

Як уже зазначалося, раціональна галузь застосування ШСНУ обмежена подачею до 65 м³/добу і глибинами підвісок до 2000 м. В окремих випадках ШСНУ можуть використовувати з підвісками насосів до 3500 м, а в неглибоких свердловинах – із дебітами до 200-300 м³/сут. Більшість установок має подачу до 30, рідше – до 50 м³/добу при глибинах підвіски 1200-1800 м.

Широке розповсюдження ШСНУ викликане насамперед застосуванням свердловинного насоса об'ємного типу, що забезпечує: можливість добору пластової рідини в обсязі від одного до сотень кубічних метрів за добу при прийнятних енергетичних витратах; можливість проведення простого обслуговування і ремонту в промислових умовах; малий вплив (порівняно з іншими способами) на роботу установки фізико-хімічних властивостей рідини.

Штангова свердловинна установка складається з привода, гирлового устаткування, колони насосних штанг, колони насосно-компресорних труб, свердловинного насоса і допоміжного підземного устаткування (рисунок 1.5.4). В окремих випадках який-небудь із перерахованих елементів може бути відсутнім, тоді його функцію виконують інші елементи ШСНУ. Привід призначений для перетворення енергії двигуна в механічну енергію колони насосних штанг, що рухаються поступально.

Колона насосних штанг являє собою стрижень, що складається з окремих штанг, з'єднаних один з одним нарізними з’єднаннями. Колона насосних штанг передає механічну енергію від привода до свердловинного насоса.

Свердловинний насос (як правило, плунжерний) перетворює механічну енергію штанг та плунжера, що рухаються, у механічну енергію пластової рідини, яка відсмоктується.

Колона насосно-компресорних труб служить каналом для підйому відкачуваної пластової рідини і забезпечує утримання у висячому положенні циліндра свердловинного насоса.

Гирлове устаткування герметизує внутрішню порожнину колони НКТ, її з'єднання з нафтопромисловим колектором, а також фіксує верх колони НКТ.

Допоміжне підземне устаткування встановлюється залежно від особливостей кожної свердловини. У комплект можуть входити: якір, що фіксує низ колони НКТ відносно експлуатаційної колони, газові й піскові якорі для відділення з пластової рідини, що надходить на прийом свердловинного насоса, газу і піску, іноді клапани-відсікачі шару.

Рисунок 1.5.4 – Блок-схема свердловинної насосної установки

В деяких випадках колона штанг може бути порожнистою, і її внутрішня порожнина використовується як канал для підйому пластової рідини або ж як канал для подачі хімічних реагентів. При цьому колона НКТ може бути відсутня, а циліндр свердловинного насоса фіксується спеціальним якорем із пакером.

Розглянемо окремі елементи установки на прикладі ШСНУ з балансирним двоплічним верстатом-качалкою (рисунок 1.5.5).

Штангова свердловинна насосна установка містить у собі привід, розташований у безпосередній близькості до устя свердловини. Відома велика кількість різних конструкцій приводів. Привід ШСНУ забезпечує вертикальне зворотно-поступальне переміщення верхньої точки колони штанг. Остання збирається з окремих штанг довжиною 8 м, діаметром 16-25 мм, що з'єднуються одна з одною за допомогою різьбових муфт.

Перша, верхня штанга (гирловий шток) має, як правило, трохи більший діаметр (до 38 мм) і пропущена через гирловий сальник, що забезпечує герметизацію внутрішньої порожнини НКТ.

Колона насосно-компресорних труб з'єднує свердловинний насос із гирловим устаткуванням й утворює канал для руху нагору пластової рідини, що відкачується свердловинним насосом. Колона збирається з окремих труб 17 (рис. 1.5.5) довжиною 8-11 м і діаметром 38-102 мм за допомогою муфт.

Гирлове устаткування І має корпус, у якому розташований гирловий сальник, бічний відвід для з'єднання внутрішньої порожнини НКТ із промисловим колектором, а також бічний відвід, що сполучається із затрубним простором. Гирловий сальник оснащений механізмом для регулювання його затягування і фіксації ущільнюючого елемента.

Штанговий свердловинний насос III являє собою насос одинарної дії. Він складається з циліндра 24, з'єднаного з колоною НКТ, плунжера 25, з'єднаного з колоною штанг. Нагнітальний клапан 26 установлений на плунжері, а всмоктувальний 27 – у нижній частині циліндра.

Нижче від насоса за необхідності встановлюється газовий IV чи піщаний якір. У них газ і пісок відокремлюються від пластової рідини. Газ направляється в затрубний простір.

Між насосно-компресорною 17 та експлуатаційною 16 колонами (на фрагментах І-IV рисунка 2 експлуатаційна колона не показана), пісок осаджується в корпусі якоря.

При роботі ШСНУ енергія від електродвигуна передається через редуктор до кривошипно-шатунного механізму, що перетворює обертальний рух вихідного вала редуктора через балансир із голівкою в зворотно-поступальний рух колони штанг. Зв'язаний із колоною плунжер також робить зворотно-поступальний рух. При ході плунжера нагору нагнітальний клапан закритий тиском рідини, що знаходиться над плунжером, що по колоні насосно-компресорних труб рухається нагору – відбувається її відкачування. В цей час упускний усмоктувальний клапан відкритий і рідина заповнює обсяг циліндра насоса під плунжером.

При ході плунжера вниз усмоктувальний клапан під дією тиску стовпа рідини закривається, нагнітальний клапан відкривається і рідина перетікає в надплунжерний простір циліндра.

Піднята на поверхню рідина через бічний відвід гирлового сальника надходить у промисловий колектор.

Залежно від специфічних особливостей промислів чи окремих свердловин застосовують й інші конструкції елементів ШСНУ.