3. 3. Дифференциальные насосы
Для отбора из скважин высоковязкой жидкости выпускаются стандартные насосы с двумя плунжерами (типа ННБД1) по схеме, представленной на (рис. 27). При ходе сборки плунжеров вниз давление столба жидкости в НКТ будет передаваться на верхний плунжер 6 и нагнетательный 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 позволит штангам достаточно быстро опускаться, головка балансира опускается вниз быстрее штанг, что приводит к рассогласованию движения головки балансира станка – качалки и колонны штанг, возникновению значительных ударных нагрузок и снижению работоспособности установок [1].
Подача такого насоса определяется длиной хода и разность площадей цилиндра 1 нижней насосной части (с плунжером 2) и цилиндра 7 верхней насосной части.
Насосы НВ1БД2 (рис. 28) предназначены для отбора жидкости с большим содержанием свободного газа. Жидкость в них при движении плунжерной сборки попадает через входной клапан, расположенный в нижнем плунжере, в полость между плунжерами. Это происходит из-за увеличения объема межплунжерной зоны и уменьшения в ней давления. При ходе плунжеров вверх объем межплунжерной зоны уменьшается, что приводит к закрытию нижнего клапана, открытию нагнетательного клапана в верхнем плунжере и перемещению жидкости в полость 4 и в НКТ.
Рис. 27 Насос типа ННБД1:
1,8 – шток; 2 – переводник плунжера; 3 – цилиндр насоса; 4, 10 – плунжеры; 5 – нагнетательный клапан; 6 – клапанный блок; 7 – всасывающий клапан; 9 – цилиндр гидроусилителя; 11 – наконечник; 12 – разрядный клапан; 13 – переводник верхний
Рис. 28 Насос типа НВ1БД2:
1 – шток; 2 – замок; 3 – упор; 4 – переводник плунжера; 5 – цилиндр насоса; 6 –плунжер верхнего насоса; 7 –полый шток; 8 – цилиндр насоса; 9 – клапанный блок; 10 – плунжер насоса нижнего; 11 – всасывающий клапан; 12 переводник
Глава 4. Насосные штанги
Насосные штанги, соединенные в штанговую колонну, передают возвратно – поступательное движение от точки подвеса штанг поверхностного привода к плунжеру насоса [1].
Штанга представляет собой стальной стержень круглого сечения диаметром 12, 16, 18, 22, 25 мм, с высаженными концами. На концах штанги имеется участок квадратного сечения для захвата под ключ при свинчивании – развинчивании, и выполнена резьба метрическая специальная, причем резьба накатывается. Штанги соединяются между собой муфтами.
ГОСТ 13877 – 80 предусматривает изготовление штанг номинальной длинной 8000 мм. Для подбора необходимой длины подвески колонны изготавливаются укороченные штанги длинной 1000, 1200, 1500, 2000 3000 мм.
Для соединения штанг одинаковых размеров выпускают соединительные муфты, а штанг разных размеров – переводные муфты. Муфты каждого типа изготавливают в двух исполнениях: с лысками под ключ и без них [1].
Продолжаются разработки стеклопластиковых или углепластиковых насосных штанг для использования в скважинах с коррозионно – активной средой. Конструкция аналогична стальным штангам, т. е. гладкое тело штанги и высаженная часть с резьбой. Но здесь могут быть разные варианты: либо резьба и высаженная часть штанги выполнена из стали, а сама высаженная часть прикрепляется к гладкому телу штанг. Вариант крепления высаженной части штанги к ее гладкой части представлен на (рис. 30). Основная особенность стеклопластиковых штанг – их малая масса: при одинаковой прочности они в 3-4 раза легче стальных, но в 2 – 3 раза эластичнее. Обычно их используют (в сочетании со стальными штангами) в глубоких скважинах (более 2000 м) или в скважинах с высококоррозионной пластовой жидкостью.
Рис. 30 Стеклопластиковая штанга
Кроме сплошных насосных штанг, могут применятся полые или трубчатые штанги (рис. 31). Полые штанги предназначены для передачи движения от головки балансира станка – качалки плунжеру скважинного насоса при непрерывной или периодической подаче в полость насосных труб ингибиторов коррозии, ингибиторов отложения парафина, растворителей парафина, теплоносителей, деэмульгаторов, жидкости гидрозащиты насоса. Продукция скважины при этом отбирается по кольцевому пространству между полыми штангами и НКТ. Другим вариантом применения полых штанг является откачка пластовой жидкости с высоким содержанием механических примесей. При этом откачка пластовой жидкости проводится по центральному каналу. За счет малого диаметра проходного сечения увеличивается скорость движения откачиваемой жидкости по каналу, что препятствует выпадению (оседанию) механических примесей из потока жидкости [1].
Рис. 31 Полые (трубчатые) штанги
Колонна насосных штанг может выполнятся не только из отдельных, дискретных штанг, соединенных между собой с помощью резьбы, но и в виде непрерывной колонны.
К непрерывным насосным штангам (ННШ) относятся прутковые и гибкие штанги.
Прутковые ННШ представляют собой колонну необходимой длинны, состоящую из отдельных участков разного поперечного сечения. Отдельные участки колонны соединяются с помощью сварки в стык, сварной шов проходит термическую и механическую обработку и имеет прочность 0,95 – 1,00 с основным телом штанги. Поперечное сечение участков ННШ выбирается из условий равнопрочности колонны. Колонна ННШ может состоять из нескольких (до 10) участков, условный диаметр которых различается на 1,5 мм. Как правило, такая штанга имеет массу на 8 – 10 % меньше, чем аналогичная колонна обычной конструкции. Поскольку штанга имеет непрерывную конструкцию с соединениями только на насосе и полированном штоке, сила трения такой колонны по колонне НКТ и в перекачиваемой жидкости значительно меньше. Помимо этого, из-за отсутствия муфт ННШ большего размера можно опускать в НКТ меньшего диаметра (рис. 32).
Рис. 32 Прилегание насосной штанги и канатной штанги «Кород» к НКТ
Прутковые ННШ требуют большого диаметра барабана (от 6 до 12 метров) в связи с этим, фирма «Bender» (США), в качестве гибкого элемента тягового органа начала использовать широкую ленту. Упругие свойства ленты позволяют уменьшить динамические нагрузки на привод установки, а также энергетические затраты. Испытания показали, что использование ленты в качестве гибкого элемента уменьшает почти в 10 раз количество ремонтов из-за ее повреждения по сравнению с канатом [1].
Недостатками такого тягового органа является их низкая надежность, обусловленная тем, что стальная лента подвергается износу из-за трения о внутреннюю поверхность НКТ в абразивной среде, а также при многослойной навивке на барабан. Наличие микротрещин, надрезов, рубцов на поверхности и по торцам стальной ленты в условиях агрессивной коррозионной среды и большая площадь контакта тягового органа с откачиваемой жидкостью приводит к быстрому коррозионно – усталостному разрушению ленты. Кроме того, форма тягового органа делает крайне затруднительным разработку и изготовление надежного устьевого уплотнения ленты.
Американская фирма «Hanlun» начала изготовление ленты из винилэфира, армированную графитным волокном. Материал имеет высокий модуль упругости и обладает достаточной жесткостью для использования в скважине и гибкостью для намотки на барабан. Барабан диаметром 2,4 метра для намотки ленты длинной до 1500 м монтируется на грузовике [1].
Анализ испытаний показал в различных скважинах показал, что такая установка может обеспечить добычу 32 метров кубических в сутки жидкости с глубины 1520 м при 10 – 12 ходах в минуту.
Так же были предприняты попытки по созданию гибкого тягового звена в виде пластинчатой цепи длинной около 13 м и максимальной нагрузке 54кН. Применение цепи в качестве гибкого тягового органа позволило уменьшить диаметр барабана лебедки наземного привода по сравнению с барабаном для каната. Наряду с этим, применение цепи в качестве гибкого элемента имеет следующие недостатки: большое поперечное сечение ведет к усложнению конструкции устьевого уплотнения, сильный шум при работе цепи, необходимость в сложном устройстве для смазки цепи, малая долговечность цепи из-за воздействия агрессивной среды и механических примесей [1].