Вибір обладнання для заданих умов експлуатації свердловини з допомогою штангової свердловинної насосної установки
1 Мета заняття
1.1 Набуття навиків вибору обладнання штангових свердловинних насосних установок для заданих умов експлуатації.
1.2 Виконання розрахунків з проектування колон насосних штанг.
1.3 Набуття навиків з визначення статичної міцності колони насосно-компресорних труб.
2 Завдання заняття
2.1 Вибір свердловинного насоса і підбір режимів відкачування.
2.2 Проектування колони насосних штанг.
2.3 Розрахунок колони насосно-компресорних труб на міцність.
2.4 Підбір приводу штангового свердловинного насоса.
3 Основні теоретичні відомості
Більше 80% нафтових свердловин на промислах України експлуатується штанговими свердловинними насосними установками (ШСНУ). В основному це пояснюється їх економічністю, гнучкістю і широкими можливостями застосування даної системи. До основних переваг ШСНУ слід віднести: технічно нескладний і швидкий монтаж; наявність великої гами типорозмірів свердловинних насосів, що дає можливість експлуатувати свердловини в широкому діапазоні дебітів і агресивності пластових флюїдів; можливість адаптації до змінних умов притоку рідини в свердловину за рахунок зміни частоти ходів плунжера, довжини ходу плунжера і ефективної поверхні плунжера свердловинного насоса; невимогливість до технічного обслуговування та інші.
ШСНУ для експлуатації одного пласта складається з приводу, устьового сальника, колони насосних штанг і насосно-компресорних труб (НКТ), а також штангового свердловинного насоса (вставного або невставного). Для закріплення в колоні НКТ вставного свердловинного насоса, який опускається на колоні насосних штанг, застосовується замкова опора. Циліндр невставного насоса опускається в свердловину на колоні НКТ, а плунжер – на колоні насосних штанг.
Призначення приводу штангового насоса – перетворення обертового руху вала електродвигуна у зворотно-поступальний рух точки підвісу штанг. Привід може бути механічним, гідравлічним і пневматичним. На даний час найбільшого поширення набули саме балансирні індивідуальні механічні приводи штангових свердловинних насосів – верстати-качалки (рисунок 3.1). Верстат-качалка комплектується набором змінних шківів для зміни числа коливань. Для швидкої зміни шківів і натягу пасів електродвигун встановлюється на рухомих салазках.
Верстати-качалки випускаються в двох виконаннях: СК (аксіальні) – семи типорозмірів, СКД (дезаксіальні) – шести типорозмірів.
Штангові свердловинні насоси (ШСН) призначені для відкачування із нафтових свердловин рідини обводненістю до 99%, температурою не більше 130оС, вмістимістю сірководню не більше 50 г/л, мінералізованої води не більше 10 г/л.
Свердловинні насоси виготовляються згідно стандарту наступних типів:
НВ1 – вставний з замком наверху насоса;
НВ2 – вставний з замком внизу насоса;
НН – невставний без вловлювача;
НН1 – невставний із захоплювальним штоком;
НН2 – невставний з вловлювачем.
Випускають насоси наступних конструктивних виконань:
за конструкцією циліндра: Б – з товстостінним суцільним (безвтулковим) циліндром; С – з складним (втулковим) циліндром;
за конструктивними особливостями, що визначають функціональне призначення (область застосування):Т – з порожнистим (трубчастим) штоком, який забезпечує підняття рідини по каналу колони трубчастих штанг; А – з щіпним пристроєм (тільки для насосів типу НН), який забезпечує щеплення колони насосних штанг з плунжером насоса; Д1 – одноступінчатий, двоплунжерний, який забезпечує створення гідравлічно-важкого низу; Д2 – двоступінчатий, двоплунжерний, який забезпечує стиснення відкачуваної
1 - верстат-качалка, 2 - фундамент, 3 - підвіска устьового штока, 4 - устьовий шток, 5 – обладнання устя, 6 – планшайба, 7 – муфта штангова, 8 – колона штанг, 9 - колона НКТ, 10 – колона експлуатаційна, 11 – опора замкова, 12 – насос свердловинний.
Рисунок 3.1 – Схема ШСНУ
рідини;
за стійкістю до середовища: без позначення – стійкі до середовища з вмістом механічних домішок до 1,3 г/л; З – стійкі до середовища з вмістом механічних домішок більше 1,3 г/л.
Відповідні типи насосів випускаються і за стандартами Американського нафтового інституту (АНІ). Система позначення штангових свердловинних насосів наведена в таблиці 3.15.
ШСН – гідравлічна машина об’ємного типу, де ущільнення між плунжером і циліндром досягається за рахунок високої точності їх робочих поверхонь і регламентованих зазорів. В залежності від розміру зазору в парі „циліндр – плунжер” випускають насоси п’яти груп посадок.
В залежності від призначення і області застосування ШСН плунжери і пари „сідло – кулька” клапанів випускають різних конструкцій, виконань і з різними видами зміцнення їх робочих поверхонь.
Плунжери насосів випускають в чотирьох виконаннях:
П1Х – з кільцевими канавками, циліндричною розточкою на верхньому кінці і з хромовим покриттям зовнішньої поверхні;
П2Х – теж саме без циліндричної розточки на верхньому кінці;
П1И – з кільцевими канавками, циліндричною розточкою на верхньому кінці і зміцненням зовнішньої поверхні напиленням зносостійкого порошку;
П2И – теж саме без циліндричної розточки на верхньому кінці.
Пари „сідло – кулька” клапанів насосів мають три виконання:
К – з циліндричним сідлом і кулькою із нержавіючої сталі;
КБ – теж саме з сідлом з буртиком;
КИ – з циліндричним сідлом із твердого сплаву і кулькою із нержавіючої сталі.
Тривала і безвідмовна робота насоса можлива тільки при умові правильного вибору типу і конструктивного виконання насоса у відповідності до умов видобутку на кожній конкретній свердловині.
Вибір насоса включає визначення:
- типу насоса (вставний чи невставний), в залежності від умов експлуатації (об’єм відкачуваної рідини, глибина спуску, діаметр НКТ);
- зазору між циліндром і плунжером (в залежності від в’язкості і вмісту механічних домішок у відкачуваній рідині);
- діаметра насоса, довжини циліндра, плунжера, подовжувачів (в залежності від в’язкості відкачуваної рідини, зазору і глибини відбору);
- матеріалів циліндра, плунжера, клапанів ( в залежності від корозійності і абразивності відкачуваної рідини).
При виборі типу ШСН для заданих умов експлуатації необхідно враховувати наступні рекомендації.
Вставні насоси рекомендується застосовувати при експлуатації свердловин великої та середньої глибини (висота підйому рідини більше 1000 м), а також при експлуатації свердловин, в яких для заміни насоса доводиться часто проводити спуско-підйомні роботи. Для заміни вставного насоса не потрібно піднімати із свердловини колону НКТ. Цим самим збільшується термін експлуатації НКТ, скорочується тривалість підземного ремонту свердловини.
Насоси з верхнім розміщенням замкової опори рекомендовано використовувати в свердловинах з:
- середнім і високим вмістом піску;
- середнім вмістом газу з глибиною, що не перевищує 1500 м;
- наявністю сірководню з глибиною, що не перевищує 1500 м;
- наявністю двоокису вуглецю з глибиною до 2000 м.
Використання насосів у свердловинах з глибиною спуску більше 2100 м не рекомендується.
Насоси з нижнім розміщенням замкової опори рекомендовано використовувати в свердловинах з:
- високим дебітом з глибиною, що не перевищує 900 м;
- низьким рівнем відкачуваної рідини з глибиною свердловини 900-2000 м;
- наявністю пластової води при глибині свердловини до 1500 м;
середнім вмістом газу при глибині до 1500 м;
у викривлених свердловинах.
Невставні насоси доцільно використовувати переважно для значних дебітів на свердловинах з невеликою глибиною, коли вставні насоси не забезпечують необхідного відбору рідини.
Перевагою невставних насосів є їх використання із НКТ меншого діаметру, і при цьому забезпечення підйому великих об’ємів пластової рідини завдяки великому умовному діаметру. Застосування труб меншого діаметру сприяє кращому виносу піску завдяки великій швидкості висхідного потоку .
Невставні насоси можуть застосовуватися також при експлуатації свердловин в яких часто забруднюється вибій.
Обмеженість глибини спуску насоса обумовлена гранично максимальним навантаженням на колону НКТ і штанг.
Діаметр НКТ, спущених у свердловину, також накладає певні обмеження при виборі типу і розміру насоса. Рекомендації по вибору типу і розміру насоса в залежності від умовного діаметру НКТ наведені в таблиці 3.3.
Рекомендації по вибору групи посадки в залежності від глибини спуску насоса і в’язкості пластової рідини наведені в таблиці 3.4.
Основним фактором при виборі довжини плунжера насоса є створюваний ним напір. Рекомендації для здійснення даного вибору подані в таблиці 3.5 .
Насосні штанги виконують роль зв’язуючої ланки між наземним індивідуальним приводом і свердловинним насосом. Призначені для передачі зворотно-поступального руху плунжеру насоса.
Насосна штанга -це стальний стержень круглого перерізу діаметром 13-28 мм і довжиною 1000-8000 (9000) мм з висадженими різьбовими кінцями. Різьба штанг – метрична спеціальна (утворена методом накатування).
штанги виготовляються в основному із легованої сталі довжиною 8000 або 9000 мм і вкорочені - 1000, 1200, 1500, 2000, 3000 мм як для некорозійних, так і для корозійних умов експлуатації. Укорочені штанги використовують для регулювання довжини колони з метою нормальної посадки плунжера свердловинного насоса. Вони виготовляються із стали тієї ж марки і піддаються такій же термообробці, що і штанги нормальної довжини.
Штанги піддані різним видам обробки (згідно стандарту), призначені для важчих умов експлуатації та характеризуються більш високими механічними властивостями. При виборі матеріалу штанг і виду термообробки, у залежності від умов експлуатації, можна скористатися інформацією таблиці 3.12.