Скважинные гидроштанговые насосные установки

Гидроштанговая насосная установка — это объемный гидропривод скважинного прямодействующего возвратно-поступательного плунжерного или поршневого насоса. Ра­бочий ход плунжерной группы выполняется под действием избыточного давления в гидроштанге, а возвратный ход — ги­дравлическим, механическим — грузовым, пневматическим и комбинированным способами.

Простота принципиальных схем скважинных плунжерных и поршневых насосов с передачей энергии к поршню гидродви­гателя посредством так называемой «гидравлической штанги» давно привлекает внимание конструкторов и изобретателей. Понятие «гидроштанга» подразумевает по аналогии со штанго­вой колонной СШНУ циклическую передачу энергии сжатием жидкости в колонне НКТ и в кольцевом пространстве. Столб жидкости выполняет роль штанговой колонны, но не стальной, а гидравлической.

Поверхностное оборудование УГШН включает в себя си­ловые насосы, золотники распределители, блоки разделителей жидкости и другое оборудование.

Рассмотрим компоновку оборудования на примере одной из схем разработанной в ГАНГ им. И. М. Губкина группой ученых и конструкторов под руководством Чичерова Л. Г.

Схема установки (рис. 5.36) гидроштангового насоса со­стоит из блоков поверхностного и скважинного оборудования, соединенных линиями коммуникаций. В комплект скважинного оборудования входят два ряда насосно-компрессорных труб, расположенных концентрично.

Рис. 5.36. Схема установки гидроштангового насоса УГШН-5-15-1000 разработки ГАНГ им. И. М. Губкина

1 — всасывающий клапан; 2 — цилиндр насосный; 3 — нагне­тательный клапан; 4 — плунжер насоса; 5 — цилиндр двига­тельный; 6 — плунжер; 7 — насосно-компрессорные трубы; 8

— гидроштанга труб; 9 — насос компенсации утечек; 10 — раз­делитель вода — масло; 11 — разделитель нефть — масло; 12

— клапан-отсекатель; 13 и 20— реле давления; 14 — золотник-распределитель; 15 — пневмоаккумулятор; 16— силовой насос; 17— емкость с маслом; 18— перепускной клапан; 19— регулятор потока

Скважинный насосный агрегат состоит из двух обычных штанговых насосов разных диаметров, соединенных между со­бой. В нижней части цилиндра насоса 5 имеются окна для про­хода жидкости. Плунжеры 4 и 6 насосов 2 и 5 жестко соединены полым штоком. Верхний насос 5 с плунжером 6 представляет собой двигательную часть гидроштангового насоса, а нижний насос 2 с плунжером 4, всасывающим 1 и нагнетательным 3 клапанами представляет собой собственно насос для отбора нефти из скважины.

Устье скважины оборудуется специальной арматурой или стандартным устьевым сальником СУС-42 и соединяется ли­ниями коммуникаций с блоком разделителей 10 и 11 жидких фаз и с клапаном-отсекателем 12.

В поверхностное оборудование входят два блока — силовой насосный и блок разделителей.

Силовой насосный блок состоит из насоса 16 с приводом, масляного бака 17, предохранительного клапана 18, регулято­ра потока 19, пневмокомпенсатора 15, электроуправляемого золотника-распределителя 14, реле давления.

Блок разделителей 10 и 11 состоит из двух шаровых со­судов, верхняя и нижняя полость каждого из них разделена нефтемаслостойкой эластичной резиновой диафрагмой. Диа­фрагма предотвращает проникновение жидкости из одной по­лости в другую. В верхней полости разделителя 11 находится откачиваемая нефть, а в разделителе 10 находится техническая вода. В нижних полостях обоих разделителей находится масло, как впрочем и во всем поверхностном оборудовании, которое работает в масляной среде, поступающей из бака 17.

Установка гидроштангового насоса работает следующим образом. Поверхностный силовой насос 16 отбирает масло из приемного бака и подает по нагнетательной линии к золотнику-распределителю.

В это время золотник находится в крайнем правом поло­жении, т.е. поток масла проходит по диагональным каналам золотника. При этом масло поступает в нижнюю полость разде­лителя 10, давление передается через эластичную диафрагму на гидроштангу в колонне труб 7 и на подплунжерную часть плунжера 6. По достижении давления, необходимого для хода плунжерной группы вверх, начинается движение плунжерной группы и вытеснение нефти из цилиндров насоса в гидроштангу, затем через открытый клапан-отсекатель в промысловую систему сбора нефти. Клапан-отсекатель 12 гидроуправляемый, работает от действия давления масла в магистрали гидрокоммуникаций насосного блока и отзывается только при ходе плунжерной группы вверх.

При ходе плунжерной группы вверх некоторая, часть масла вытесняется из разделителя 17 через золотник в приемный масляный бак. Кроме того, при ходе плунжерной группы вверх происходит всасывание или заполнение нефтью из скважины полости нижнего насосного цилиндра 2 через открытый всасы­вающий клапан 7.

По достижении плунжерной группой крайнего верхнего положения происходит торможение и остановка, при этом в поверхностной системе возрастает давление. На повыше­ние давления реагирует предварительно настроенное реле давления 20, которое переключает золотник-распределитель в крайнее левое положение. Масло поступает по прямым каналам золотника в нижнюю полость разделителя 17, затем давление передается через диафрагму на гидроштангу труб 8. Клапан-отсекатель в это время закрыт. Плунжерная группа движется вниз, происходит переток нефти через открытый клапан из нижнего цилиндра в верхний. Из межплунжерной полости техническая вода вытесняется через окна в цилиндре по насосно-компрессорным трубам на поверхность в раздели­тель 10. Масло из разделителя вытесняется через золотник в масляный бак. По достижении плунжерной группой крайнего нижнего положения происходит торможение, остановка, в гидросистеме возрастает давление, срабатывает реле давления 13 и переключает золотник в предыдущее положение.

Таким образом, весь процесс возвратно-поступательного движения плунжерной группы периодически повторяется.

Основное преимущество данной схемы заключается в том, что установка позволяет плавно изменять подачу скважинного насоса путем регулирования подачи рабочей жидкости регулятором потока. Кроме того, имеется возможность подачи в скважину химических реагентов для борьбы с отложениями солей и парафина.

Поверхностное силовое насосное оборудование расположе­но в блок-боксе, имеет небольшие размеры и массу, не требует сооружения специального фундамента, что дает возможность достигать высокой транспортабельности и удобства монтажа оборудования.

При конструировании гидроштанговых установок необхо­димо подбирать диаметры плунжеров скважинного агрегата в соотношении, соответствующем указанному интервалу.

Одной из задач исследования энергетических показателей установки было определение оптимальной подачи рабочей жидкости поверхностным силовым насосом. Для этого была выполнена серия оптимизационных расчетов гидродинами­ческих и энергетических параметров при различных значе­ниях подачи поверхностного насоса. Было установлено, что наибольший коэффициент полезного действия скважинного оборудования достигается при подаче насоса в интервале от 0,9 до 1,22 л/с.

Одной из перспективных областей применения гидрош­танговых установок является опробование скважин, где первоочередную роль приобретают такие факторы, как вы­сокая монтажеспособность, транспортабельность, плавное в широких пределах регулирование рабочих параметров установки.

При добыче высоковязкой битумной нефти гидроштанго­вые установки имеют следующие преимущества по сравнению с другими видами оборудования:

• обеспечивается движение плунжера скважинного на­соса в двух .направлениях, что достигается созданием избыточ­ного давления наземным насосом у плунжера скважинного агрегата;

• при работе в скважинах с возможными парогазожидкостными проявлениями глубинный агрегат не препятствует фонтанированию через скважинный насос;

• оборудование устья скважины собирается из узлов фонтанной арматуры и обеспечивает надежность при вы­бросах;

• при добыче вязкой нефтяной массы в насосно-компрессорных трубах возможно создание жидкостного под­слоя, обеспечивающего движение жидкости с незначительным гидродинамическим трением;

• простота конструкции, монтаж скважинного агрегата осуществляется из стандартных узлов и деталей скважинных вставных и невставных насосов, наземное оборудование

имеет небольшую массу и собирается из серийно выпускаемых узлов гидроаппаратуры;

• обеспечивается возможность плавного выхода на режим работы скважины с вязкопластичной нефтью путем регулирования скорости движения плунжера.

Гидроштанговая установка позволяет эксплуатировать скважины малых и средних дебитов со значительной кривизной ствола, где применение штанговых насосов и ЭЦН практически невозможно.