Подбор штангового насоса для оптимального отбора жидкости

Скважинный штанговый насос представляет собой одно­плунжерный насос с длинным цилиндром, шариковыми кла­панами и длинным проходным плунжером (рис. 5.3). При ходе плунжера вверх он нагнетает жидкость, находящуюся между стенками цилиндра и штангами, а в полость под плунжером по­ступает жидкость из скважины. При ходе вниз насос нагнетает (выжимает) объем жидкости, равный объему опускающегося в цилиндр штока, т.е. это насос дифференциального действия.

Скважинные штанговые насосы делятся на трубные и вставные. У первых цилиндр в скважину спускается на трубах, а плунжер и клапаны — на штангах. Вставные насосы спуска­ются в скважину в собранном виде на штангах и фиксируются в нижней части колонны НКТ замком (анкером).

В отличие от остальных насосов к основным параметрам скважинных штанговых насосов относятся номинальный диа­метр плунжера (или цилиндра) и длина хода плунжера. Схемы насосов и их основные параметры установлены с 2002 года государственным стандартом Российской Федерации (ГОСТ-Р 51896-2002), а до этого времени — отраслевым стандартом (ОСТ) и техническими условиями (ТУ).

Рис. 5.3. Конструктив­ные схемы невставных (трубных) насосов:

1 - шток клапана;

2 - муфты;

3 - втулки;

4 - кожух;

5 - плунжер;

6 - нагнетательный клапан;

7 - захват клапана;

8 - крестовина;

9 - всасывающий клапан

Условные диаметры скважинных насосов (плунжеров и цилиндров) выбирается из следующего стандартного ряда: 27 (29 - по ОСТ и ТУ), 32, 38, 44, 50, 57, 63, 70, 95, 120 мм.

Длина плунжера скважинного штангового насоса выби­рается в зависимости от требуемого напора насоса (глубины расположения динамического уровня, с которого насос должен обеспечить подъем пластовой жидкости). Плунжеры длиной 1200 мм рекомендуется применять до динамического уровня с глубиной до 1200 м, 1500 мм - до 1500 м, 1800 мм - 1800 м и более.

Современные скважинные штанговые насосы, широко при­меняемые на промыслах, имеют составной (втулочный) или безвтулочный (цельнометаллический) цилиндр. Втулочный насос (например — НВ1С) имеет цилиндр, набранный из вту­лок 3 длиной по 304 мм, размещенных в кожухе 4 и зажатых концевыми муфтами 2. К нижней муфте подсоединен узел всасывающего клапана 9. В цилиндре движется плунжер 5, имеющий узел нагнетательного клапана 6 (рис. 5.3).

Насос с безвтулочным цилиндром (НВ1Б, НВ2Б, НН2Б и др) имеет цельный цилиндр с концевыми резьбами. К резьбе подсоединены переводники. К нижнему переходнику подсоеди­нен узел всасывающего клапана, к верхнему — ограничитель хода плунжера. В цилиндре находится плунжер с нагнетатель­ным клапаном. Цельнометаллический цилиндр представляет собой цилиндрическое тело, внутренняя поверхность которого является рабочей. Эта поверхность имеет малую шероховатость, высокую точность обработки и большую твердость, такую же, как и у втулок втулочного цилиндра.

Переход от втулочного к цельнометаллическому цилиндру позволяет уменьшить наружный диаметр цилиндра, а также снизить трудоемкость сборки насоса и изготовления цилин­дра. Устраняется возможность сдвига втулок цилиндра при транспортировке, монтаже и эксплуатации насосов. Насосы с цилиндром без втулок изготавливаются трубными (насосы НН2Б, ННБА и др.) и вставными (насосы НВ1Б, НВ2Б).

Трубные (невставные) скважинные насосы (НН) выполня­ют нескольких типов - НН1, НН2, ННА.

Вставной насос (НВ) имеет следующую конструкцию (рис. 5.4). Насос 5 опускают внутрь колонны НКТ 1, в которой уста­новлено седло-конус 3 для посадки вставного насоса. Конус ино­гда имеет захватную пружину 4. Силы трения в конусе или силы трения и пружина, упирающаяся в выступ насоса, способствуют удержанию насоса на месте в начале работы при ходе плунжера вверх. К достоинствам насоса относится то, что при его смене он поднимается на поверхность земли на штангах без подъема колонны НКТ. Плунжер, имеющий нагнетательный клапан в нижней своей части, создает малое мертвое пространство. Но, поскольку насос спускается внутрь колонны НКТ, он имеет меньший диаметр плунжера, чем трубный насос, спускаемый с теми же НКТ. Это ограничивает подачу вставного насоса, а также снижает скорость течения жидкости в НКТ. Последнее важно при отборе жидкости с песком, так как вынос его будет хуже. Обратный клапан 2 предохраняет от попадания песка в цилиндр при остановках насоса.

Рис. 5.4. Схема вставного насоса.

1 - НКТ; 2 - обратный клапан; 3 - седло; 4 - пружина; 5 - насос; 6 - направление

Современные вставные насосы типов НВ1 (с установочным замком в верхней части насоса) и НВ2 (с замком внизу) могут выпускаться со сдвоен­ными всасывающими и сдвоенными нагнетательными клапанами. Такое дублирование клапанов принято из-за того, что вставные насосы обычно предназначены для спуска на большую глубину, чем трубные.

Трубные насосы типа ННА с ав­томатическим сцеплением штанг со штоком плунжера насоса спускаются в сборе на колонне НКТ. Штанги спуска­ются после спуска насоса на заданную глубину и автоматически соединяются со штоком плунжера. Конструкцией насоса предусмотрено автоматическое рассоединение колонны штанг и штока плунжера перед подъ­емом насоса и открытие сливного клапана для опорожнения колонны НКТ от откачиваемой жидкости.

Такая схема насоса позволяет спускать цилиндр диаметром большим, чем внутренний диаметр НКТ. Это дает экономию металла и позволяет иметь большую скорость потока жидкости при подъеме ее на поверхность. Последнее важно при отборе жидкости с песком для уменьшения возможности его оседания. Еще одним преимуществом данной конструкции насоса являет­ся отсутствие износа или повреждения плунжера невставного насоса при его спуске в колонну НКТ.

В зависимости от величины зазора между плунжером и цилиндром, выпускаются насосы пяти групп посадок (зазоров между плунжером и цилиндром насоса): 1 группа посадки — от 0 до 0,063 мм;

2 группа посадки — от 0,025 до 0,078 мм;

3 группа посадки — от 0,050 до 0,113 мм;

4 группа посадки — от 0,075 до 0,138 мм;

5 группа посадки — от 0,100 до 0,163 мм.

При оснащении скважины насосом группа посадки вы­бирается в зависимости от вязкости откачиваемой жидкости, содержания в ней песка, размера его частиц, обводненности продукции, температуры, глубины спуска и т.д. Чем больше вязкость жидкости, тем выше принимается группа посадки. При большой глубине спуска насоса рекомендуется использовать насосы с меньшей величиной зазора.

Плунжеры насосов изготавливают из стали и покрывают износоустойчивым слоем хрома толщиной до 70 мкм. Плунжер может иметь концентричные или винтовые канавки, насечку. Канавки и насечка предохраняют плунжер от заклинивания песком. Для скважин с большим выносом песка применяют плунжер «пескобрей». Он имеет скошенную внутрь плунжера верхнюю кромку и углубленную в плунжер клетку, соединяю­щую его со штангами. Таким образом, плунжер как бы сбривает механические примеси со стенок цилиндра. Примеси поступают к клетке клапана, где их подхватывает поток откачиваемой жидкости, выносящий механические примеси из зоны контакта плунжер-цилиндр.

Насосы с неметаллической рабочей поверхностью плунжера типа НВ1м и НН2м могут иметь гуммированный плунжер или плунжер с манжетами. Гуммированный плунжер изготавливают вулканизацией или приклеиванием резиновых частей к плунже­ру. На плунжере обычно имеется четыре-шесть гуммированных уплотнений или манжет.

Для отбора из скважин высоковязкой жидкости выпуска­ются стандартные насосы с двумя плунжерами (типа ННД2 и НВ2Д2). При отборе высоковязкой жидкости в обычных схе­мах штанговых насосов трение штанг о жидкость не позволяет 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.

Насосы НВ1Д2 предназначены для отбора жидкости с большим содержанием свободного газа. Жидкость в них при движении плунжерной сборки вниз 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 и в НКТ.

Стандартные скважинные штанговые насосы возвратно-поступательного действия предназначены для добычи нефти из скважин при обводненности продукции скважин до 99 %, темпе­ратуре до 403 К (130 °С), содержании механических примесей до 1,3 г/л, содержании H₂S и С0₂ до 200 мг/л, минерализации воды до 200 мг/л и водородном показателе рН 4,0—8,0.

Выбор насоса осуществляется с учетом состава откачивае­мой жидкости (наличие песка, газа и воды), ее свойств, дебита и глубины его спуска. Диаметр НКТ выбирают в зависимости от типа и условного размера насоса.

Насосные штанги

Насосные штанги, соединенные в штанговую колонну, передают возвратно-поступательное движение от точки подвеса штанг поверхностного привода к плунжеру насоса.

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. Штанги соединяются между собой муфтами.

ГОСТ 13877-80 предусматривает изготовление штанг но­минальной длиной 8000 мм. Для подбора необходимой длины подвески колонны изготавливаются укороченные штанги дли­ной 1000,1200, 1500, 2000 и 3000 мм.

Муфты из стали марок 40 и 45 подвергают поверхностной закалке током высокой частоты (ТВЧ). Для тяжелых условий эксплуатации муфты изготавливают из легированной стали марки 20Н2М.

Для изготовления насосных штанг используют сталь сле­дующих марок:

— 40, нормализованная и нормализованная с последующим поверхностным упрочнением нагревом ТВЧ;

— 20Н2М (никель-молибденовая), нормализованная, норма­лизованная с последующим поверхностным упрочнением на­гревом ТВЧ или нормализованная с последующей объемной закалкой и высоким отпуском;

— 15НЗМА, нормализованная с последующим поверхностным упрочнением нагревом ТВЧ;

— 15Х2НМФ, закалка и высокий отпуск или нормализация и высокий отпуск;

— ЗОХМА, нормализованная с последующим высоким отпу­ском и упрочнением нагревом ТВЧ;

— 15Х2ГНМФ, закалка и высокий отпуск.

Продолжаются разработки стеклопластиковых или углепластиковых насосных штанг для использования в скважинах с коррозионно-активной средой. Конструкция аналогична стальным штангам, т.е. есть гладкое тело штанги и высаженная часть с резьбой. Но здесь могут быть разные варианты: либо сама высаженная часть и резьба выполняется из композита (стеклопластик или углепластик), либо резьба и высаженная часть штанги выполнена из стали, а сама высаженная часть прикрепляется к гладкому телу штанг. 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.

Колонна насосных штанг может выполняться не только из отдельных 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 длины, состоящую из отдельных участков разного по­перечного сечения. Отдельные участки колонны соединяются с помощью сварки в стык, сварной шов проходит термическую и механическую обработку. 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 устанавливать в НКТ меньшего диаметра.

При транспортировании прутковых ННШ, а также при спуске и подъеме их из скважины колонна штанг наматывается на барабан, диаметр которого выбран из условия возникнове­ния в теле штанг напряжений изгиба, не превышающих предел текучести материала штанг. Из-за этого диаметр барабана для намотки непрерывных штанг может достигать величины 7—11 м. Для уменьшения этих размеров поперечное сечение штанг выполнено не круглым, а эллиптическим, причем намотка штанг на барабан происходит по малой оси эллипса.

Штанговая колонна работает в тяжелых условиях, на нее действуют агрессивная скважинная среда и переменные на­грузки, приводящие к накоплению усталостных явлений в штанговой колонне. Кроме этого, колонна штанг изнашивается вследствие трения о колонну НКТ, особенно при эксплуатации в наклонно-направленных скважинах.

На штанговую колонну действуют следующие нагрузки:

• статические — вес штанговой колонны с учетом силы плавучести и вес столба жидкости над плунжером высотой от динамического уровня жидкости, за вычетом объема, занимае­мого штанговой колонной;

• динамические — силы инерции движущихся масс штанго­вой колонны и жидкости, так как их движение осуществляется с ускорением, а также силы вибрации, обусловленные волно­выми явлениями, возникающими в штанговой колонне при работе насоса.

При работе штанговой колонны в наклонно-направленных скважинах и при откачке высоковязких жидкостей, эмульсий необходимо учитывать силы трения штанговой колонны о трубы и жидкость, так как их значение может быть соизмерено с весом колонны.

Наибольшие растягивающие напряжения действуют в верх­ней части колонны, наименьшие — в нижней. Однако в нижней части колонны могут возникнуть и сжимающие напряжения при ходе вниз при откачке вязких жидкостей и эмульсий. Это отрицательно влияет на долговечность работы штанговой ко­лонны, поэтому в этих условиях данный участок усиливают, т.е. применяют тяжелые штанги или штанги большего диаметра.

Как было показано в предыдущем разделе настоящей книги, возможно применение и специальных насосов с гидравлическим утяжелителем низа штанговой колонны, что устраняет возмож­ность знакопеременного нагружения нижней части штанговой колонны.

Разрушение штанговой колонны носит усталостный харак­тер. Промысловый опыт показал, что чаще всего штанга обрыва­ется на участках длиной 0,25—0,35 м, прилегающих к головкам, т.е. там, где конструкция имеет максимальные концентраторы напряжений за счет изменения формы штанги и где может воз­никнуть изгибающий момент от возможной несоосности тела и головки штанги.

В связи с усталостным характером разрушения штанг их долговечность снижается при работе в коррозионной среде. В скважинах, где наблюдается коррозия и отложения солей, для повышения надежности насосных штанг должны осуществлять­ся мероприятия по подаче в скважину ингибиторов.

Для форсированных режимов эксплуатации целесообразно применять легирование и углеродистые штанги, закаленные ТВЧ.

Для работы с насосами малых диаметров (29, 32, 38 мм) предпочтительнее использовать углеродистые штанги из стали марки сталь 40 согласно расчетам глубин спуска.

Для эксплуатации скважин с глубиной спуска насоса более 1500 м отбором жидкости выше 40 м³/сут следует использовать штанги из стали марок ЗОХМА, 15НЗМА, 15Х2НМФ, зака­ленные ТВЧ.

В условиях сильной коррозии хорошо работают штанги из стали марки 15НЗМА.

Особая штанга - устьевой шток, соединяющий колонну штанг с канатной подвеской. Поверхность его полирована (по­лированный шток).