Вибрационные насосы для добычи нефти

Исследования вибрационного или звукового насоса для экс­плуатации скважин показало возможность его практического применения для подъема продукции скважин, в том числе со значительным содержанием механических примесей.

В основе вибрационного насоса лежит использование энер­гии чередующихся во времени удлинений и сжатий колонны насосно-компрессорных труб при действии на нее переменной возмущающей силы.

Схема вибронасосной установки приведена на рис. 6.26. Установка состоит из колонны обычных насосно-компрессорных труб 1, в муфтовых соединениях которой установлены шарико­вые клапаны 2. В отличие от шариковых клапанов глубинных плунжерных насосов шарики клапанов вибрационного насоса должны иметь меньшую массу; поэтому они изготавливают­ся из легких материалов на основе алюминия, пластических материалов и т.п. Клапан с принудительной посадкой шарика винтовой пружиной. Во избежание самоотворачивания труб,

Рис. 6.26. Принципиальная схема вибронасосной установки:

1— колонна НКТ; 2 — шариковый клапан; 3 — стопор; 4 — цен­тратор НКТ; 5 — опорная плита; 6 — пружины; 7 — вибрацион­ная плита; 8 — вибратор; 9 — гибкий шланг; 10 — муфта НКТ;

11 — седло шарикового клапана; 12 — шарик; 13 — пружина клапана; 14 — упор пружины клапана

вследствие колебаний колонны муфты имеют специальные стопоры 3; снижение трения колонны НКТ в обсадной колонне достигается установкой центраторов 4.

На устье колонна НКТ подвешивается на вибрационной плите 7, которая через несколько винтовых пружин 6 опирается на опорную плиту 5. Жесткость пружин рассчитана таким об­разом, что под действием веса колонны НКТ не происходит их просадки; в то же время при работе насоса колонна НКТ может совершать вертикальные колебания с амплитудой 10-15мм.

Для сообщения колонне труб колебаний на верхнем конце ее установлен специальный вибратор 8, состоящий из двух ма­ховиков с эксцентриками, вращающимися в противоположных направлениях. Встречное движение маховиков обеспечивается зубчатой передачей. Так как маховики вращаются навстречу друг другу, эксцентрики перемещаются вверх или вниз одно­временно; в горизонтальной же плоскости один движется влево, другой — вправо, устраняя горизонтальные колебания и уси­ливая — вертикальные. Привод вибратора осуществляется от электродвигателя или двигателя внутреннего сгорания.

В результате работы вибратора от верхнего конца колонны НКТ распространяются упругие колебания со скоростью звука в материале труб (стали) примерно 5000 м/с, а в откачивае­мой продукции — со скоростью 1000-1500 м/с. При равенстве частоты вынужденных колебаний и собственной частоты системы различные участки колонны труб то растягиваются, то сжимаются с достаточно высокой частотой. Во избежание разрушения колонны труб необходимо соблюдение условия: напряжение от создаваемых колебаний не должно превышать предела упругости материала труб.

Насос работает следующим образом. Так как нижняя часть колонны труб погружена в откачиваемую жидкость, а колонна во время колебания растягивается на 10-15 мм с ускорением, превышающим ускорение свободного падения g, жидкость, приподнимая шарик, движется вверх. В следующий момент, когда колонна сжимается, шарик садится в седло, перекрывая путь движению жидкости вниз. Вследствие повторения циклов «растяжение—сжатие» жидкость поднимается до устья, где от­водится в сборную емкость через гибкий шланг 9.

Так как клапаны установлены в каждом муфтовом соеди­нении колонны НКТ (примерно через 8 м), каждый клапан подвергается давлению столба жидкости высотой 8 м, что не является большой величиной и не вызывает практического из­носа клапанов (шариков и седел), а также позволяет откачивать жидкость со значительным содержанием механических приме­сей. Расчетная подача таких установок колеблется в пределах 2 - 150 м³/сут.

Установлено, что практически не существует предельной глубины, с которой возможна откачка жидкости вибронасосом. При этом при глубинах спуска более 2000 м большая часть веса колонны НКТ может передаваться на обсадную колонну через специальные устройства, устанавливаемые в обсадной колонне.

Основные преимущества вибронасоса следующие:

1. Невысокая стоимость изготовления и эксплуатации.

2. Простота наземного оборудования и малая металлоем­кость.

3. Возможность откачки жидкости с песком.

4. Возможность использования в искривленных скважи­нах.

5. Высокая наработка на отказ.

6. Сравнительно высокий КПД установки.

Но этому насосу присущи и существенные недостатки:

1. Невозможность механической очистки труб от отложений парафина.

2. Ухудшение показателей работы насоса при откачке парафинистой нефти вследствие отложения парафина в клапанах.

3. Возможность усталостных разрушений колонны НКТ.

Следует отметить, что вибрационные насосы можно от­нести к перспективным техническим средствам эксплуатации скважин, в том числе и для шельфовых месторождений.