Область применения штанговых скважинных насосных установок (УШСН)
Две трети фонда (66 %) действующих скважин стран СНГ (примерно 16,3 % всего объема добычи нефти) эксплуатируются УШСН. Дебит скважин составляет от десятков килограммов в сутки до нескольких тонн. Насосы спускают на глубину от нескольких десятков метров до 3000 м, а в отдельных скважинах на 3200 ÷ 3400 м. ШСНУ включает:
1. Наземное оборудование: станок-качалка (СК), оборудование устья.
2. Подземное оборудование: насосно-компрессорные трубы (НКТ), насосные штанги (НШ), штанговый скважинный насос (ШСН) и различные защитные устройства, улучшающие работу установки в осложненных условиях. Отличительная особенность УШСН состоит в том, что в скважине устанавливают плунжерный (поршневой) насос, который приводится в действие поверхностным приводом посредством колонны. Штанговые скважинные насосы ШСН обеспечивают откачку из скважин жидкости, обводненностью до 99 %, абсолютной вязкостью до 100 мПа·с, содержанием твердых механических примесей до 0,5 %, свободного газа на приеме до 25 %, объемным содержанием сероводорода до 0,1 %, минерализацией воды до 10 г/л и температурой до 130 °С. По способу крепления к колонне НКТ различают вставные (НСВ) и невставные (НСН) скважинные насосы (рис. 9.2, 9.3). У невставных (трубных) насосов цилиндр с седлом всасывающего клапана опускают в скважину на НКТ. Плунжер с нагнетательным и всасывающим клапаном опускают в скважину на штангах и вводят внутрь цилиндра. Плунжер с помощью специального штока соединен с шариком всасывающего клапана. Недостаток НСН – сложность его сборки в скважине, сложность и длительность извлечения насоса на поверхность для устранения какой- либо неисправности.
Вставные насосы целиком собирают на поверхности земли и опускают в скважину внутрь НКТ на штангах. НСВ состоит из трех основных узлов: цилиндра, плунжера и замковой опоры цилиндра. В трубных же насосах для извлечения цилиндра из скважины необходим подъем всего оборудования (штанг с клапанами, плунжером и НКТ). В этом коренное отличие между НСН и НСВ. При использовании вставных насосов в 2 ÷ 2,5 раза ускоряются спуско-подъемные операции при ремонте скважин и существенно облегчается труд рабочих. Однако подача вставного насоса при трубах данного диаметра всегда меньше подачи невставного.
Простое в конструктивном отношении устройство, разработанное и освоенное в начале 20-х годов, стало самым распространенным способом добычи нефти как у нас, так и за рубежом. Оборудование для эксплуатации скважин этим способом включает (рисунок. 1): штанговый глубинный насос 19, систему насосно-компрессорных труб 17 и штанг 18, на которых насос подвешивается в скважине, приводную часть индивидуальной штанговой установки балансирного типа, состоящую из станка-качалки и электродвигателя 3, устьевое оборудование скважины 15, предназначенное для подвески насосных труб и герметизации устья, приспособления 13 и 14 для подвески насосных штанг к головке балансира станка-качалки.
В скважину на колонне НКТ под уровень жидкости спускают цилиндр насоса 24, в нижней части которого установлен приемный клапан 27, открывающийся только вверх. Затем на насосных штангах внутрь НКТ спускают поршень 25, называемый плунжером, который устанавливают в цилиндр насоса.
Плунжер имеет один или два клапана, открывающиеся только вверх, называемые выкидными 26 или нагнетательными. Верхний конец штанг прикрепляют к головке переднего плеча балансира станка-качалки. Для направления жидкости из НКТ в выкидную линию и предотвращения ее разлива на устье скважины устанавливают тройник и выше него сальник 21, через который пропускается сальниковый шток 14.
Рис. 1. Штанговая глубинно-насосная установка:
I - устьевое оборудование; II - подвеска труб и штанг; III - глубинный насос; IV - газовый или песочный якорь; 1 - фундамент; 2 - рама; 3 - электродвигатель; 4 - редуктор; 5 - кривошип; 6 - груз; 7 - шатун; 8 - груз балансира; 9 - стойка; 10 - балансир; 10 - механизм фиксации головки балансира; 12 - головка балансира; 13 - канатная подвеска; 14 - сальниковый шток; 15 - оборудование устья скважины; 16 - обсадная колонна; 17 - насосно-компрессорные трубы; 18 - колонна штанг; 19 - глубинный насос; 20 - газовый якорь; 21 - сальник устьевой; 22 - муфта трубная; 23 - муфта штанговая; 24 - цилиндр насоса; 25 - плунжер насоса; 26 - нагнетательный (выкидной) клапан; 27 - всасывающий (приемный) клапан
Скважинный насос приводится в действие от станка-качалки, в котором вращательное движение, получаемое от двигателя при помощи редуктора 4, кривошипно-шатунного механизма и балансира 10, преобразуется в возвратно-поступательное движение, передаваемое плунжеру скважинного насоса.
Различные по принципу действия и конструкции глубиннонасосные установки получили широкое распространение не только для добычи нефти, но и для эксплуатации водяных, гидротермальных и других скважин. Многообразие глубиннонасосных установок требует их классификации.
Можно выделить следующие основные признаки классификации глубиннонасосных установок:
1. По принципу действия глубинного насоса
- плунжерные (поршневые),
- центробежные,
- винтовые,
- струйные,
- вибрационные (звуковые),
- диафрагменные,
- роторно-поршневые и др.
2. По типу передачи энергии глубинному насосу от приводного двигателя
- штанговые,
- бесштанговые.
Скважинные штанговые насосные установки делятся на:
- балансирные,
- безбалансирные,
а по типу используемого привода на:
- механические,
- гидравлические,
- пневматические.
Бесштанговые глубиннонасосные установки делятся по типу используемого привода и его местоположению;
- с электроприводом,
- с гидроприводом,
- с приводом, расположенным на поверхности,
- с приводом, расположенным в скважине.
3. По назначению: подача
- для эксплуатации низкодебитных скважин,
- для эксплуатации среднедебитных скважин,
- для эксплуатации высокодебитных скважин высота подъема (напор)
- для эксплуатации неглубоких скважин,
- для эксплуатации скважин средней глубины,
- для эксплуатации глубоких скважин.
В мировой практике нефтедобычи получили распространение следующие глубиннонасосные установки:
1. Скважинные щтанговые насосные установки (СШНУ).
2. Установки погружных центробежных насосов с электроприводом (УЭЦН).
3. Установки гидравлических порщневых насосов (УГПН).
4. Установки с винтовыми насосами и электроприводом (УЭВН).
5. Установки с диафрагменными насосами и электроприводом (УЭДН).
6. Установки со струйными насосами (УСН).
Не все из перечисленных глубиннонасосных установок играют одинаковую роль в добыче нефти.
В нашей стране наибольшее распространение по фонду добывающих скважин получили СШНУ, а по объему добычи - УЭЦН. Это связано с тем, что установки СШНУ предназначены для эксплуатации низко- и среднедебитных скважин, а установки УЭЦН - для эксплуатации средне- и высокодебитных скважин. Остальные установки (УГПН, УЭВН, УЭДН, УСН) ни по фонду добывающих скважин, ни по добыче нефти не могут пока конкурировать с СШНУ и УЭЦН и предназначены для определенных категорий скважин.
Остановимся вкратце на делении скважин на низко-, средне- и высокодебитные. Классификация скважин по дебиту связана, в основном, с высотой подъема жидкости, т.к. с ростом высоты подъема жидкости возможная подача большинства глубиннонасосных установок достаточно быстро снижается (а следовательно, и снижается возможный дебит скважины, который определяется в данном случае возможной подачей насосной установки). Взаимосвязь высоты подъема жидкости и подачи установки как для СШНУ, так и для УЭЦН может быть выражена уравнением гиперболы:
Q = AIH,
где Q - подача установки (дебит скважины), м7сут; Н - высота подъема жидкости, м;
А - постоянная числовая величина, имеющая размерность м*/сут и выбираемая из практических соображений.
Данная зависимость может быть использована в определенных ограниченных пределах по подаче и высоте подъема. Так, для СШНУ такие ограничения обусловлены фактической работоспособностью колонны штанг, используемой для передачи плунжеру глубинного насоса возвратно-поступательного движения от наземного привода (станка-качалки), а для УЭЦН - характеристиками Q-Н выпускаемых погружных центробежных насосов. Естественно, для разлитых глубиннонасосных установок пределы по подаче и высоте подъема различны. Поэтому во избежание неоднозначности границ между низко-, средне- и высодеб1ггными скважинами для различных глубиннонасосных установок, проведем разделение на рассматриваемые категории скважин для СШНУ. Исходя из этого, в дальнейшем зависимость будет использована в след)чощих пределах: по подаче Q < 100 м7сут, по высоте подъема Н < 3000 м.
Для выпускаемого в настоящее время оборудования СШНУ можно принять постоянную величину А, равной 4-10" м"/сут, и с использованием этой величины определить границу между средне- и вы-сокодебитными скважинами:
Q = 410VH.
Исходя из пределов использования выражения , к высоко-дебитным скважинам относятся скважины с дебитом более 100 м/ сут, независимо от высоты подъема, и с высотой подъема более 3000 м, независимо от дебита. К низкодебитным скважинам будем относить такие, дебит которых не более 5,0 мУсут при высоте подъема менее 3000 м. Скважины, которые не попадают в группы высоко- и низкодебитных, относят к среднедебитным.
По высоте подъема жидкости все скважины условно могут быть разделены на следующие категории:
1. Неглубокие - при высоте подъема до 450 м.
2. Средней П1убины-при высоте подъема жидкости от 450до 1350 м.
3. Глубокие - при высоте подъема более 1350 м.
Технико-экономические расчеты, а также длительная практика применения СШНУ и УЭЦН показали, что приведенные области применения глубиннонасосного оборудования являются достаточно обоснованными и позволяющими сделать два принципиальных вывода:
1. Установки щтанговых скважинных насосов предназначены, в основном, для эксплуатации низко- и среднедебитных неглубоких и средней глубины скважин, хотя могут оставаться рентабельными при эксплуатации высокодебитных и глубоких скважин (в определенных пределах).
2. Установки погружных центробежных электронасосов предназначены, в основном, для эксплуатации средне- и высокодебитных скважин различной глубины.
Рассмотрим более подробно эксплуатацию скважин СШНУ(рис.2).
Рисунок - 2 Области и границы различных категорий скважин по дебиту и высоте подъема:
1 - граница между низко- и среднедебитными скважинами; 2 - граница между средне- и высокодебитными скважинами; 3 - граница между глубокими и средней глубины скважинами; 4 - граница между неглубокими и средней глубины скважинами.
При эксплуатации скважин штанговыми глубиннонасосными установками используются различные плунжерные насосы. К насто-яшему времени создано большое количество плунжерных насосов, различаюшихся не только конструкциями, но и областью их применения в различных эксплуатационных условиях.