2.4 Експлуатація нафтових свердловин насосами

2.4.1 Експлуатація штанговими насосними установками

Експлуатація нафтових свердловин штанговими насосами – один з основних способів механізованого видобутку нафти. Привод штангового свердловинного насоса здійснюється з поверхні завдяки колоні штанг. Схема штангової свердловинної насосної установки показана на рис. 2.26.

Рисунок 2.26 – Схема штангової свердловинної насосної установки:

1 – електродвигун; 2 – противаги; 3 – шатун; 4 – балансир;

5 – головка балансира; 6 – полірований шток; 7 – нафтопровід;

8 – устьовий сальник; 9 – фундамент; 10 – обсадна колона;

11 – підйомні труби; 12 – штанги; 13 – цемент; 14 – насос;

15, 16 – вихідний і вхідний клапани; 17 – пласт

Насосна установка складається з насоса 14 в свердловині, і приводу штангового свердловинного насоса (ПШСН), встановленого на поверхні біля устя. Циліндр насоса закріплений на колоні опущених у свердловину НКТ 11, а плунжер підвішений на колоні штанг 12. Верхня штанга (полірований шток) 6 з’днана з головкою балансира 5 приводу канатною або ланцюговою підвіскою. У циліндрі встановлені кулькові клапани 15 і 16.

Колона НКТ, якою рідина від насоса піднімається на поверхню, закінчується на усті трійником. Сальниковий пристрій 8 у верхній частині трійника призначений для запобігання втратам рідини уздовж рухомого полірованого штока (тобто верхньої насосної штанги). Боковим відведенням у середній частині трійника рідина зі свердловини рухається у викидну лінію.

Зворотно-поступальний рух передається колоні насосних штанг від електродвигуна 1, через редуктор і кривошипно-шатунний механізм.

Принцип дії насоса такий. При русі плунжера вгору вхідний клапан під тиском рідини відкривається, внаслідок чого рідина надходить у циліндр насоса. Вихідний клапан у цей час закритий, оскільки на нього діє тиск стовпа рідини в НКТ.

При русі плунжера вниз вхідний клапан під тиском рідини під плунжером закривається, а вихідний клапан відкривається і рідина з циліндра переходить у простір над плунжером.

Будова ПШСН представлена на рис. 2.27.

а б

Рисунок 2.27 – Будова ПШСН:

а – схема: 1 – головка балансира; 2 – стопорний пристрій головки; 3 – опорний підшипник балансира; 4 – балансир; 5 – противаги

на балансирі; 6 –траверса; 7 – шатун; 8 – противага на кривошипі; 9 – кривошип; 10 – редуктор; 11 – електродвигун; 12 – ручка гальма; 13 – рама; 14 – стійка; б – загальний вигляд ПШСН

Привод містить такі основні вузли: раму 13 зі стійкою 14, балансир 4 з головкою балансира 1, чотири противаги 8, редуктор 10 з двома кривошипами 9, на яких закріплю-ються противаги і траверсу 6 з двома шатунами 7.

Зовнішній вигляд ПШСН із зусиллям на штоку 80 кН показаний на рис. 2.27, б, кінематична схема – на рис. 2.28. Зі схеми видно, що обертання вала електродвигуна за допомогою клинопасової передачі передається ведучому валу редуктора. Змінні шківи електродвигуна, залежно від його потужності, мають діаметри від 63 до 450 мм.

Діаметри шківів на ведучому валу редуктора незмінні для кожного типу ПШСН, але залежно від його вантажо-підйомності і обертового моменту редуктора, змінюються від 315 мм у ПШСН найменшої вантажопідйомності до 1250 мм у найпотужніших ПШСН.

Рисунок 2.28 – Кінематична схема ПШСН:

1 – головка балансира; 2 – балансир; 3 – стійка; 4 – шатун;

5 – кривошип; 6 – ведений вал; 7 – проміжний вал;

8 – ведучий вал; 9 – шків редуктора; 10 – електродвигун;

11 – шків електродвигуна

Зміна передавального числа клинопасової передачі ПШСН від 2,5 до 5,0 досягається зміною шківів на валу електродвигуна. Передавальне число двоступінчастого редуктора для всіх типів приводу однакове і дорівнює 38, попри те, що габарити і маса редукторів залежно від типу приводу змінюються у великих межах. Так, редуктор найлегшого ПШСН вантажопідйомністю 15 кН має масу 700 кг, а редуктор ПШСН вантажопідйомності 80 кН – 2820 кг.

Довжина ходу точки підвішування штанг змінюється перестановкою нижнього пальця шатуна у відповідний отвір кривошипа, тобто зміною його радіуса. Довжину хода полірованого штока можна визначити з такої формули:

, (2.5)

де r – радіус кривошипа;

а – довжина переднього плеча балансира;

b – довжина заднього плеча балансира.

Тривалість і безаварійність роботи ПШСН залежать від ступеня його зрівноваження. Під час роботи неврівноваженого приводу, протягом кожного ходу насоса, двигун навантажується нерівномірно. При ході плунжера вгору на установку діє вага стовпа рідини в трубах і вага штанг. При ході ж униз двигун розвантажується і не проводить роботи, оскільки плунжер рухається вниз під дією власної ваги штанг.

Такі коливання навантаження негативно впливають на міцність всієї установки і, особливо, на роботу двигуна. Для забезпечення нормальної роботи двигуна, необхідно вирівнювати навантаження на нього в період кожного ходу плунжера. Це досягається зрівноваженням ПШСН за допомогою противаг. Противага розраховується так, щоб вона врівноважувала вагу стовпа рідини і штанг, на подолання якого і витрачається енергія електродвигуна при русі плунжера вгору.

Недоліки, які характерні балансирним ПШСН, відсутні у безбалансирних ПШСН (рис. 2.29).

Безбалансирний ПШСН має принципово новий кривошипношківний механізм, який перетворює обертовий рух вала електродвигуна у зворотно-поступальний рух ходової траверси, з’єднаної за допомогою колони штанг з плунжером свердловинного штангового насоса.

Довгоходові ПШСН мають недосяжну для звичайних балансирних ПШСН довжину ходу 3,5…6 м. При цьому завдяки новим технічним удосконаленням, вони мають габарити і масу менші, ніж балансирні приводи, і широке застосування при середньодобовому дебіті свердловини від 5 м³/добу пластової рідини до 100 м³/добу, при глибині відкачування до 3000 м. Такі ПШСН, завдяки збільшеній довжині ходу, мають такі переваги:

- підвищений коефіцієнт подачі насоса. Результат особливо проявляється при експлуатації свердловин з динамічним рівнем 2000…3000 м. У цьому випадку колона насосних штанг має велику довжину, що призводить до значного поздовжнього видовження штанг, яке може досягти 1 м і більше. Поздовжнє видовження насосних штанг зменшує величину робочого переміщення плунжера насоса, що істотно знижує коефіцієнт подачі насоса, оскільки при видовженні колони штанг (вихідний клапан відкритий), плунжер насоса не переміщується до закінчення видовження, а робочий хід полірованого штока витрачається на компенсацію видовження штанг. При використанні довгоходового приводу верстата-качалки збільшена довжина ходу дозволяє компенсувати видовження штанг, і забезпечити необхідний робочий хід плунжера штангового насоса;

а б

Рисунок 2.29 – Безбалансирний ПШСН з кривошипно- шківним перетворюючим механізмом:

а: 1 – стійка (триполюсна); 2 – кривошип приводний; 3 – шків натяжний; 4 – шків напрямний; 5 – гнучка ланка (канат);

6 – ходова траверса; А – місце закріплення нерухомого кінця канату; γ – кут між вітками канату; θ – кут дезаксіалу;

S – максимальна довжина ходу траверси;

б – загальний вигляд ПШСН

- підвищену довговічність штанг і збільшений міжремонтний період їх експлуатації. Маючи збільшену довжину ходу, можна, не знижуючи дебіт свердловини, істотно зменшити частоту ходів, що призведе до зниження сумарного числа циклів динамічних навантажень, які виникають у кінцевих точках ходу. Це дозволяє підвищити довговічність насосних штанг і збільшити міжремонтний період їх експлуатації;

- підвищений коефіцієнт наповнення штангового насоса. При збільшеній довжині ходу і меншій частоті ходів буде менша кількість підйомів і посадок кульки клапана насоса, що зменшує втрати пластової рідини з його циліндра;

- підвищену довговічність штангового насоса. Довгоходові ПШСН працюють у парі з довгоходовим штанговим насосом з довшим циліндром, який має більшу поверхню контакту з плунжером. Це істотно знижує зношування робочої поверхні циліндра, що підвищує довговічність всього насоса.

Крім переваг, пов’язаних із збільшеною довжиною ходу, довгоходові ПШСН мають цілий ряд переваг, які досягаються внаслідок нових конструктивних рішень:

- високий ККД кривошипно-шківного механізму, який перетворює обертовий рух вала електродвигуна у зворотно-поступальний рух полірованого штока;

- можливість механізації допоміжних операцій, таких як переміщення противаг, налаштування довжини ходу, відведення стійки від устя свердловини при виконанні підземних ремонтних робіт;

- плавність роботи приводу, яка гарантує практично повну відсутність динамічних коливань, що підвищує довговічність ПШСН, колони штанг;

- об’єм фундаменту менший у 5 разів порівняно з фундаментами інших типів ПШСН.

Вказані переваги дозволяють зменшити в середньому на 30 % витрату електроенергії, підвищити ККД насоса, зменшити витрати на монтаж на свердловині, збільшити міжремонтний період експлуатації свердловини, тобто зменшити час простою свердловини, що, в цілому, дозволяє знизити витрати при видобуванні пластової рідини на 30…50 %.

Основні складові заощадження: електроенергія, підвищення коефіцієнтів наповнення і подачі свердловинного насоса, зменшення витрат на монтаж ПШСН і підземний ремонт свердловин, зменшення витрат штанг і свердловинних насосів.

Проте незважаючи на переваги, безбалансирні ПШСН не знайшли широкого застосування у галузі через недоліки, здебільшого, пов’язані з технікою безпеки їх експлуатації. Так, наприклад, при обриві канатної підвіски траверса при падінні розбиває арматуру, що призводить до виливів, аварій і можливих травм оператора. Крім того, безбалансирні установки потребують спеціальних, дорогих електронних динамографів, оскільки, поширені гідравлічні динамографи застосувати до таких установок неможливо.

Штангові свердловинні насоси. Насоси за конструкцією і способом монтажу у свердловині поділяються на дві основні групи: невставні (трубні) і вставні.

Невставні насоси характерні тим, що їх основні вузли спускаються в свердловину окремо: циліндр – на НКТ, а плунжер у зборі з вхідним і вихідним клапанами – на штангах.

Підйом невставного насоса із свердловини також здійснюється в два прийоми: спочатку піднімають штанги з плунжером і клапанами, а потім труби з циліндром.

Рисунок 2.30 – Невставні штангові свердловинні насоси:

1 – вихідний клапан; 2 – циліндр насоса; 3 – плунжер; 4 – патрубок- подовжувач; 5 – вхідний клапан;

6 – сідло конуса; 7 – захватний шток;

8 – нижній вихідний клапан;

9 – уловлювач; 10 – наконечник вхідного клапана.

а б

Вставні насоси спускають у свердловину в зібраному вигляді (циліндр разом з плунжером) на насосних штангах і піднімають на поверхню також у зібраному вигляді шляхом підйому цих штанг. Насос встановлюють і закріплюють за допомогою спеціального замкового пристосування, яке заздалегідь спускається в свердловину на трубах. У результаті цього для зміни вставного насоса (за необхідності заміни окремих вузлів або насоса в цілому) досить підняти на поверхню тільки насосні штанги, насосні ж труби залишаються постійно в свердловині. Їх піднімають тільки за необхідності виправлення замкового присто-сування, що на практиці буває рідко. Таким чином, зміна вставного насоса потребує значно меншого часу, ніж невставного. Крім того, при використанні такого насоса менше зношуються насосні труби, оскільки немає необхідності їх спускати і піднімати, а також розгвинчувати і згвинчувати при кожній зміні насоса. Ці переваги вставного насоса мають особливе значення при експлуатації глибоких свердловин, в яких на СПО при підземному ремонті витрачається багато часу.

Невставні насоси (рис. 2.30) поділяються на два типи:

– насоси двоклапанні НН1С (насос невставний першого типу);

– насоси триклапанні НН2С.

Двоклапанний насос НН1С (рис. 2.30, а) складається з трьох основних вузлів:

– циліндра з сідлом конуса на нижньому кінці;

– вхідного клапана з конусом і захватним штоком, угвинченим в клітку клапана (шток призначений для вилучення і підйому на поверхню клапана без підйому циліндра насоса);

– плунжера з вихідним клапаном.

Після спуску на задану глибину насосних труб із циліндром, на штангах спускають плунжер з вузлом вхідного клапана. Посадочний конус щільно сідає в гніздо, роз’єднуючи тим самим затрубний простір і порожнину насоса.

Для підйому насоса із свердловини плунжер підводиться вище за його звичайне верхнє положення. Наконечник плунжера підхоплює при цьому головку захватного штока, і конус разом з вхідним клапаном виходить з гнізда, піднімаючись вслід за плунжером. Істотним недоліком двоклапанних насосів типу НН1С є значний об’єм шкідливого простору (об’єми між вхідним і вихідним клапанами при крайньому нижньому положенні плунжера). Газ, який надходить у насос разом з нафтою, при зниженні тиску в циліндрі (хід вгору) скупчується в цьому просторі, утворюючи газову подушку. Об’єм газу в насосі зменшує корисний об’єм циліндра, тобто знижує кількість нафти, яка надходить у циліндр.

Цей недолік усунений в триклапанному насосі типу НН2С (рис. 2.30, б). Шкідливий простір у ньому зменшений завдяки установці додаткового вихідного клапана на нижньому кінці плунжера.

При цьому ловильний шток замінений спеціальним захватним пристосуванням, яке вмонтовується в нижній частині плунжера. Це автозачеплювач байонетного типу (пристрій для підняття вхідного клапана).

Для заміни вхідного клапана плунжер опускається вниз, провертається колона штанг до положення, коли палець на штоку вхідного клапана увійде в пази автозачеплювача. Після з’єднання плунжер разом із вхідним клапаном підіймають з свердловини. Процес посадки клапана виконується в зворотній послідовності.

Насос вставний НВ1 показано рис. 2.31. Він складається з трьох основних вузлів: циліндра 5, плунжера 6 і замкової опори 4. Циліндр насоса 5 на нижньому кінці має закріплений наглухо вхідний клапан, а на верхньому кінці конус 3, який, служить опорою насоса. Плунжер 6 підвішується до колони штанг за допомогою штока 1, кінець якого виступає з насоса і має відповідну нарізь для з’єднання з штангами. Для зменшення об’єму шкідливого простору вихідний клапан змонтований на нижньому кінці плунжера. Вставний насос спускається в свердловину на насосних штангах і встановлюється в замковій опорі 4, заздалегідь спущеній на насосних трубах 2, на нижньому кінці яких змонтована направляюча труба 7.

Циліндри насосів можуть виготовлятися у трьох виконаннях: ЦБ - циліндр суцільнотягнутий безвтулковий товстостінний; ЦТ - циліндр суцільнотягнутий безвтулковий тонкостінний; ЦС - циліндр втулковий (складний) з набору втулок довжиною 300 мм, які стягуються в кожусі насоса муфтами.

Усі виконання циліндрів повинні мати строго циліндричну внутрішню поверхню з високою чистотою механічної обробки, яка досягається шліфуванням і хонінгуванням.

Втулки насосів сталеві або з сірого чавуну. Підвищення довговічності досягається зміцненням їх внутрішньої поверхні фізико - термічними методами.

Плунжери штангових насосів виготовляють завдовжки 1200,1500 і 1800 мм з суцільнотягнутих безшовних сталевих труб з товщиною стінки від 5 до 9,5 мм. Зовнішня поверхня плунжера шліфується, хромується для підвищення зносостійкості і потім полірується. На обох кінцях плунжера зроблена внутрішня нарізь для приєднання клапанів або перехідників.

а	б Рисунок 2.31 – Вставний насос: а – схема насоса: 1 – шток; 2 – НКТ; 3 – конус; 4 – замкова опора; 5 – циліндр; 6 – плунжер; 7 – направляюча труба; б – загальний вигляд

Клапани насосів. У штангових насосах застосовують кулькові клапани з однією кулькою – з сферичною фаскою сідла, і двома кульками – зі ступінчасто-конусною фаскою сідла.

Для передачі руху від ПШСН до плунжера насоса призначені насосні штанги. Насосні штанги - це круглий стержень з висадженими кінцями і накатаною спеціальною метричною різьбою та ділянкою квадратного перерізу під штангові ключі (для їх згвинчування і розгвинчування).

Штанги виготовляють діаметрами 13, 16, 19, 22, 25 і 29 мм і укомплектовані з’єднувальними муфтами. Нормальна довжина штанги приблизно 8 м. Щоб забезпечити точну посадку плунжера в циліндрі свердловинного насоса, виготовляють також укорочені штанги (довжиною 610…3660 мм).

Колона насосних штанг експлуатується в складних умовах. У процесі експлуатації насосні штанги зазнають сумісної дії навантаження і корозійного середовища. Навантаження, що діють на колону штанг, дуже різноманітні. Вони включають як статичні, так і динамічні, ударні, вібраційні, інерційні та інші навантаження.

Для виготовлення насосних штанг, як правило, використовують конструкційні або леговані сталі, а також склопластик.

Основна особливість склопластикових штанг - їх мала маса: за однакової міцності вони у 3-4 рази легші від сталевих, але в 2 - 3 рази еластичніші. Зазвичай, їх використовують у глибоких свердловинах з високо-корозійною продукцією.

Застосування склопластикових штанг зменшує навантаження на привод штангової насосної установки, зокрема, величину обертового моменту та зрівноважу- вального вантажу, а інерційне збільшення довжини переміщення плунжера підвищує подачу насоса.

Подача насосної установки. Загальна кількість рідини, яку подає насос при безперервній роботі, називається його подачею.

Теоретичну подачу насосної установки за добу визначають за формулою

, (2.6)

де 1440 – число хвилин в добі;

F – площа поперечного перерізу плунжера;

S – довжина ходу плунжера;

n – частота ходів плунжера за хвилину;

Якщо вважати, що , де D – діаметр плунжера, то формулу для визначення теоретичної подачі насосної установки можна записати у вигляді

. (2.7)

У наведеній формулі змінні величини: діаметр плунжера, довжина ходу і частота ходів. Подачу насосної установки регулюють шляхом зміни цих величин.

При експлуатації свердловин застосовують насоси таких розмірів (за діаметром плунжера): 28, 32, 38, 43, 56, 68, 82 і 93 мм. Площа поперечного перерізу плунжера у насоса найбільшого діаметра в 11 разів більша від площі поперечного перерізу насоса найменшого діаметра. Маючи вісім стандартних розмірів насоса, подачу установок можна регулювати шляхом їх заміни. Регулювання подачі установки (без заміни насоса) досягається зміною довжини ходу або частоти ходів полірованого штока.

Подача насоса, розрахована за наведеними формулами, називається теоретичною. Вона показує, яку кількість рідини може подавати насос за умови повного заповнення простору циліндра під плунжером і за відсутності витоків рідини в насосі і НКТ.

Фактична подача насоса завжди менша від теоретичної і тільки в тих випадках, коли свердловина фонтанує крізь насос, його подача може виявитися рівною або більшою від теоретичної.

Відношення фактичної подачі насоса до теоретичної називається коефіцієнтом подачі насоса. Ця величина характеризує роботу насоса в свердловині і враховує всі чинники, що знижують його подачу.

Роботу штангової свердловинної насосної установки вважають задовільною, якщо коефіцієнт подачі її не менший від 0,5...0,6.

Діагностування роботи ШСНУ. Динамометрія ШСНУ є основним способом діагностування роботи ШСН, колони штанг, НКТ і верстата-качалки. За допомогою динамограм (отриманих динамографом) можна встановити параметри роботи ШСНУ, знання яких значно полегшує виявлення неполадок. Найбільш поширеним є гідравлічний геліксний динамограф, який встановлюється між траверсами канатної підвіски верстата-качалки. Динамограма – це графік зміни навантаження в точці підвішування насосних штанг залежно від їх переміщення.

Проста (тільки від статичних сил, що діють на полірований шток) теоретична динамограма роботи насосної установки за один хід вгору і вниз має форму паралелограма (рис. 2.32).

На вертикальній осі відкладають навантаження, які діють на полірований шток, а на горизонтальній – його переміщення.

Навантаження на полірований шток у міру його руху вгору змінюється в такому порядку. У кінці ходу вниз полірований шток і плунжер досягають крайнього нижнього положення; при цьому вихідний клапан насоса відкритий, вхідний – закритий. На полірований шток діє тільки навантаження від ваги штанг. Цьому положенню відповідає точка А на динамограмі.

На початку руху полірованого штока вгору вихідний клапан закривається, на полірований шток окрім ваги штанг починає діяти і вага рідини в трубах.

Рисунок 2.32 – Теоретична динамограма насосної установки (тільки від статичних сил)

Під дією цієї сили штанги розтягуються (видовжуються завдяки пружній деформації), а підйомні труби укорочуються.

Впродовж всього процесу розтягування (видовження) штанг і укорочення труб, плунжер залишається нерухомим відносно насоса, тоді як полірований шток переміщається на величину, рівну сумі деформацій розтягування штанг і укорочення труб.

Процес сприйняття полірованим штоком навантаження від тиску на плунжер стовпа рідини записується на діаграмі похилою прямою АБ; лінія бБ характеризує переміщення полірованого штока в процесі сприйняття навантаження. Після закінчення процесу сприйняття навантаження штангами починається рух плунжера, при цьому відкривається вхідний клапан насоса (точка Б). Дальший рух полірованого штока і плунжера вгору відбувається при незмінному навантаженні; на динамограмі цей процес зображений прямою БВ. Навантаження на полірований шток у цьому випадку рівне вазі штанг, занурених у рідину, плюс навантаження від тиску стовпа рідини на плунжер. На початку ходу вниз вихідний і вхідний клапани закриті, на полірований шток діє повне навантаження від ваги штанг і рідини (точка В).

При русі полірованого штока вниз штанги і плунжер розвантажуються, передаючи навантаження від стовпа рідини на труби; труби розтягуються (видовжуються), а штанги укорочуються (лінія БГ). Лінія Гг характеризує переміщення полірованого штока в процесі розвантаження, вона відповідає сумі деформацій укорочення штанг і розтягування труб. Після процесу розвантаження полірованого штока вихідний клапан відкривається і починається рух плунжера вниз (точка Г). Дальший рух полірованого штока і плунжера відбувається при відкритому вихідному клапані і незмінному навантаженні (лінія ГА). У точці А цикл поновлюється.

Така динамограма характеризує роботу насоса в дегазованій рідині при коефіцієнті наповнення, рівному одиниці, і за відсутності динамічних навантажень, тобто при повільному і плавному русі системи (полірований шток – штанги – плунжер) вгору і вниз. Якби при роботі зануреного насоса не відбувалося розтягування і зворотного укорочення штанг і труб, теоретична динамограма мала б вигляд прямокутника.

При роботі насосної установки можуть бути різні несправності, що призводять до витоків рідини в насосі і трубах або зниження коефіцієнта подачі насоса, що врешті порушує нормальний процес зміни навантаження на полірований шток. Ці зміни навантаження легко прослідкувати за допомогою динамограми.

Кожному порушенню нормальної роботи насоса відповідає своя характерна форма динамограми. А знаючи, як змінюється форма динамограми під час тих або інших несправностей, можна визначити їх характер, не піднімаючи насос на поверхню.

Крім якісних показників роботи насоса (витікання з насоса, вплив газу на роботу насоса, правильність посадки плунжера, заїдання плунжера тощо) за допомогою динамограми визначають також кількісні показники: навантаження на головку балансира, довжину ходу полірованого штока і плунжера.

Отже, фактична динамограма дозволяє визначати, чи нормально працює насос, чи не впливає на його роботу газ, чи достатня глибина його занурення, а також якого ремонту потребує свердловина, що експлуатується ШСНУ.