Штанговые скважинные насосы ШСН
ШСН предназначены для откачивания из нефтяных скважин жидкости обводненностью до 99%, температурой не более 130°С, содержанием сероводорода не более 50 мг/л, минерализацией воды не более 10 г/л.
Скважинные насосы имеют вертикальную конструкцию одинарного действия с неподвижным цилиндром, подвижным металлическим плунжером и шариковыми клапанами. Насосы спускают в скважину на штангах и насосно-компрессорных трубах. Различают следующие типы скважинных насосов (рис. 18):
Рис. 18. Типы скважинных штанговых насосов
НВ1 - вставные с заулком наверху;
НВ2 - вставные с замком внизу;
НН - невставные без ловителя;
НН1 - невставные с захватным штоком;
НН2 - невставные с ловителем.
Выпускают насосы следующих конструктивных исполнений:
а) по цилиндру:
Б - с толстостенным цельным (безвтулочным) цилиндром;
С - с составным (втулочным) цилиндром.
б) специальные:
Т - с полным (трубчатым) штоком для подъема жидкости по каналу колонны трубчатых штанг;
А - со сцепляющим устройством (только для насосов типа НН), обеспечивающим сцепление колонны насосных штанг с плунжером насоса;
Д1 - одноступенчатые, двухплунжерные для создания гидравлического тяжелого низа;
Д2 - двухступенчатые, двухплунжерные, обеспечивающие двухступенчатое сжатие откачиваемой жидкости;
У - с разгруженным цилиндром (только для насосов типа НН2), обеспечивающим снятие с цилиндра технической нагрузки при работе.
Насосы всех исполнений, кроме Д1 и Д2, одноступенчатые, одноплунжерные:
в) по стойкости к среде:
без обозначения - стойкие к среде с содержанием механических примесей до 1,3 г/л - нормальные;
И - стойкие к среде с содержанием механических примесей более 1,3 г/л - абразивостойкие.
Скважинные штанговые насосы являются гидравлической машиной объемного типа, где уплотнение между плунжером и цилиндром достигается за счет высокой точности их рабочих поверхностей и регламентируемых зазоров. При этом в зависимости от размера зазора (на диаметр) в паре «цилиндр-плунжер» выпускают насосы четырех групп (табл. 5).
Таблица 5
| Группа посадки | Размер зазора между цилиндром и плунжером насоса при исполнении цилиндра, мм | |
| Б | С | |
| <0,045 | <0,045 | |
| 0,01¸0,07 | 0,02¸0,07 | |
| 0,06¸0,12 | 0,07¸0,12 | |
| 0,11¸0,17 | 0,12¸0,17 |
В условном обозначении насоса, например, НН2БА-44-18-15-2, первые две буквы и цифра указывают тип насоса, следующие буквы - исполнение цилиндра и насоса, первые две цифры - диаметр насоса (мм), последующие длину хода плунжера (мм) и напор (м), уменьшенные в 100 раз и последняя цифра - группу посадки.
Цилиндры насосов изготовляют двух исполнений: ЦБ и ЦС.
ЦБ - цельный безвтулочный толстостенный;
ЦС - составной из набора втулок, стянутых внутри кожуха переводниками.
Исходя из назначения и области применения скважинных насосов, выпускают плунжеры и пары «седло-шарик» клапанов различных поверхностей.
Плунжеры насосов изготавливают четырех исполнений:
ПХ1 - с кольцевыми канавками, цилиндрической расточкой на верхнем конце и с хромовым покрытием наружной поверхности;
ПХ2 - то же, без цилиндрической расточки на верхнем конце;
П111 - с кольцевыми канавками, цилиндрической расточкой на верхнем конце и упрочнением наружной поверхности напылением износостойкого порошка;
П211 - то же, без цилиндрической расточки на верхнем конце.
Пары «седло-шарик» клапанов насосов изготавливают в трех исполнениях:
К - с цилиндрическим седлом и шариком из нержавеющей стали;
КБ - то же, с седлом и буртиком;
КИ - с цилиндрическим седлом из твердого сплава и шариком из нержавеющей стали.
Скважинные насосы нормального исполнения по стойкости к среде, применяемые преимущественно для подъема жидкости с незначительным содержанием (до 1,3 г/л) механических примесей, комплектуют плунжерами исполнения ПХ1 или ПХ2 с парами «седло-шарик» исполнения К или КБ. Скважинные насосы абразивостойкого исполнения И, применяемые преимущественно для подъема жидкости, содержащей более 1,3 г/л механических примесей, комплектуют плунжерами исполнения П1И или П2И и парами «седло-шарик» исполнения КИ.
Конструктивно все скважинные насосы состоят из цилиндра, плунжера, клапанов, замка (для вставных насосов), присоединительных и установочных деталей, максимально унифицированных.
Скважинные насосы типа НВ1 выпускают шести исполнений:
НВ1С - вставной с замком наверху, составным втулочным цилиндром исполнения ЦС, нормального исполнения по стойкости к среде;
НВ1Б - вставной с замком наверху, цельным (безвтулочным) цилиндром исполнения ЦБ, нормального исполнения по стойкости к среде;
НВ1Б...И - то же абразиовостойкого исполнения по стойкости к среде;
НВ1БТ...И - то же, с полым штоком, абразивостойкого исполнения по стойкости к среде;
НВ1БД1 - вставной с замком наверху, цельным цилиндром исполнения ЦБ, одноступенчатый, двухплунжерный, нормального исполнения по стойкости к среде;
НВ1БД2 - вставной с замком наверху, цельным цилиндром исполнения ЦБ, двухступенчатый, двухплунжерный, нормального исполнения по стойкости к среде.
Скважинные насосы всех исполнений, кроме исполнения НВ1БД1 и НВ1БД2, одноплунжерные, одноступенчатые.
Скважинные насосы типа НВ2 изготовляют одного исполнения: НВ2Б - вставной с замком внизу, цельным цилиндром исполнения ЦБ, одноплунжерный, одноступенчатый, нормального исполнения по стойкости к среде. (рис. 19).
Рис. 19. Скважинный штанговый насос исполнения НВ2Б
1 – защитный клапан; 2 – упор; 3 – шток; 4 – контргайка; 5 – цилиндр; 6 клетка плунжера; 7 – плунжер; 8 – нагнетательный клапан; 9 – всасывающий клапан; 10 – упорный ниппель с конусом
Скважинные насосы типа НН выпускают двух исполнений:
ННБА - невставной без ловителя, с цельным цилиндром исполнения ЦБ, сцепляющим устройством, одноступенчатый, одноплунжерный, нормального исполнения по стойкости к среде;
ННБД1 - невставной без ловителя, с цельным цилиндром исполнения ЦБ, одноступенчатый, двухплунжерный, нормального исполнения по стойкости к среде.
Скважинные насосы типа НН1 изготовляют одного исполнения:
НП1С - невставной с захватным штоком, составным цилиндром исполнения ЦС, нормального исполнения по стойкости к среде.
Скважинные насосы типа НН2 выпускают пяти исполнений:
НН2С - невставной с ловителем, составным цилиндром исполнения ЦС, нормального исполнения по стойкости к среде;
НН2Б - невставной с ловителем, цельным цилиндром исполнения ЦБ, нормального исполнения по стойкости к среде (рис. 20);
НН2Б...И - то же, абразивостойкого исполнения по стойкости к среде;
НН2БТ...И - то же, с полым штоком, абразивостойкого исполнения по стойкости к среде;
НН2БУ - невставной с ловителем, разгруженным цельным цилиндром исполнения ЦБ, нормального исполнения по стойкости к среде.
Рис. 20. Скважинный штанговый насос исполнения НН2Б и НН2Б…И:
1 – цилиндр; 2 – шток; 3 – клетка плунжера; 4 – плунжер; 5 – нагнетательный клапан; 6 – шток ловителя; 7 – всасывающий клапан; 8 – седло конуса
Все насосы типа НН2 - одноплунжерные, одноступенчатые.
Замковая опора типа ОМ предназначена для закрепления цилиндра скважинных насосов исполнений НВ1 и НВ2 в колонне насосно-компрессорных труб. Высокая точность изготовления поверхностей деталей опоры обеспечивает надежную герметичную фиксацию цилиндра насоса в насосно-компрессорных трубах на заданной глубине скважины и одновременно предотвращает искривление насоса в скважине.
Замковая опора ОМ (рис. 21) состоит из опорного кольца 2, пружинного якоря 3, опорной муфты 4, кожуха 5 и переводников 1 и 6.
Переводник имеет на верхнем конце гладкую коническую резьбу, при помощи которой опора соединяется с колонной насосно-компрессорных труб. Кольцо изготавливают из нержавеющей стали. Конической внутренней (15о) фаской оно сопрягается с ответной конической поверхностью конуса замка насоса и обеспечивает герметичную посадку насоса.
Якорь предотвращает срыв насоса с опоры от усилий трения движущегося вверх плунжера в период запуска в работу подземного оборудования. Максимальное усилие срыва замка 3¸3,5 кН.
|
Варианты крепления насосов приведены на рис. 22.
Рис. 22. Крепление вставных насосов
Рис. 23. Область применения ШСН Сураханского машиностроительного завода
Применение насосов НН предпочтительно в скважинах с большим дебитом, небольшой глубиной спуска и большим межремонтным периодом, а насосы типов НВ в скважинах с небольшим дебитом, при больших глубинах спуска (рис. 22). Чем больше вязкость жидкости, тем принимается выше группа посадки. Для откачки жидкости с высокой температурой или повышенным содержанием песка и парафина рекомендуется использовать насосы третьей группы посадки. При большой глубине спуска рекомендуется применять насосы с меньшим зазором.
Насос выбирают с учетом состава откачиваемой жидкости (наличия песка, газа и воды), ее свойств, дебита и глубины его спуска, а диаметр НКТ - в зависимости от типа и условного размера насоса.
Производительность насоса
Теоретическая производительность ШСН равна
, м3/сут.,
где 1440 - число минут в сутках;
D - диаметр плунжера наружный;
L - длина хода плунжера;
n - число двойных качаний в минуту.
Фактическая подача Q всегда < Qt.
Отношение 
, называется коэффициентом подачи, тогда Q = Qt an, где an изменяется от 0 до 1.
В скважинах, в которых проявляется так называемый фонтанный эффект, т.е. в частично фонтанирующих через насос скважинах может быть an >1. Работа насоса считается нормальной, если an =0,6¸0,8.
Коэффициент подачи зависит от ряда факторов, которые учитываются коэффициентами
an=ag×aус×aн×aуm,
где коэффициенты:
ag - деформации штанг и труб;
aус - усадки жидкости;
aн - степени наполнения насоса жидкостью;
aуm - утечки жидкости.
где ag =Sпл/S , Sпл - длина хода плунжера (определяется из условий учета упругих деформаций штанг и труб); S - длина хода устьевого штока (задается при проектировании).
Sпл=S - DS, DS=DSш+DSт,
где DS - деформация общая; S - деформация штанг; DSт - деформация труб.
aус =1/b
где b - объемный коэффициент жидкости, равный отношению объемов (расходов) жидкости при условиях всасывания и поверхностных условиях.
Насос наполняется жидкостью и свободным газом. Влияние газа на наполнение и подачу насоса учитывают коэффициентом наполнения цилиндра насоса
где 
- газовое число (отношение расхода свободного газа к расходу жидкости при условиях всасывания).
Коэффициент, характеризующий долго пространства, т.е. объема цилиндра под плунжером при его крайнем нижнем положении от объема цилиндра, описываемого плунжером. Увеличив длину хода плунжера, можно увеличить aн.
Коэффициент утечек
где gyт - расход утечек жидкости (в плунжерной паре, клапанах, муфтах НКТ); ayт - величина переменная (в отличие других факторов), возрастающая с течением времени, что приводит к изменению коэффициента подачи.
Оптимальный коэффициент подачи определяется из условия минимальной себестоимости добычи и ремонта скважин.
Уменьшение текущего коэффициента подачи насоса во времени можно описать уравнением параболы
, (3.1.)
где [ОП1] an - начальный коэффициент подачи нового (отремонтированного) насоса; T - полный период работы насоса до прекращения подачи (если причина - износ плунжерной пары, то Т означает полный, возможный срок службы насоса); m - показатель степени параболы, обычно равный двум; t - фактическое время работы насоса после очередного ремонта насоса.
Исходя из критерия минимальной себестоимости добываемой нефти с учетом затрат на скважино-сутки эксплуатации скважины и стоимости ремонта, А. Н. Адонин определил оптимальную продолжительность межремонтного периода
, (3.2.)
где tp - продолжительность ремонта скважины; Bp стоимость предупредительного ремонта; Bэ - затраты на скважино-сутки эксплуатации скважины, исключая Bp.
Подставив tмопт вместо t в формулу (3.1.), определим оптимальный конечный коэффициент подачи перед предупредительным подземным ремонтом anопт.
Если текущий коэффициент подачи anопт станет равным оптимальному anопт (с точки зрения ремонта и снижения себестоимости добычи), то необходимо остановить скважину и приступить к ремонту (замене) насоса.
Средний коэффициент подачи за межремонтный период составит
.
Анализ показывает, что при Bp/(Bэ×T)<0,12 допустимая степень уменьшения подачи за межремонтный период составляет 15¸20%, а при очень больших значениях Bp/(Bэ×T) она приближается к 50%.
Увеличение экономической эффективности эксплуатации ШСН можно достичь повышением качества ремонта насосов, сокращением затрат на текущую эксплуатацию скважины и ремонт, а также своевременным установлением момента ремонта скважины.