Скважинные штанговые установки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Общие сведения

2. Устройство, назначение и принцип работы скважинных штанговых насосов

3. Обзор конструкций

4. Выявленные недостатки и метод их устранения

5. Прочностные расчеты

6. Гидравлические расчеты

Литература

Патентный поиск

Введение

Эксплуатация нефтяных скважин глубинными насосами разных систем -- один из ведущих способов добычи нефти. В 1970 г. действующий фонд скважин, эксплуатирующихся глубинными насосами разных типов, составил около 40 000, а добыча нефти -- около 120 млн. т.

Этому способствовали конструктивная простота, недефицитность и дешевизна применяемых при их изготовлении материалов, высокая надежность и неприхотливость в обслуживании.

Различие нефтяных скважин по объему продукции и требуемой высоте ее подъема определяет необходимость иметь размерный ряд по мощности штанговых насосных установок. Разнообразие профилей скважин, состава продукции обусловливает необходимость иметь несколько конструктивных вариантов внутрискважинных элементов оборудования, наиболее приспособленных к условиям эксплуатации, и варианты исполнения этих элементов оборудования, соприкасающихся с продукцией, так же и по применяемым материалам, с тем чтобы обеспечить их наибольшую износостойкость, коррозионную стойкость и коррозионно-усталостную прочность в условиях воздействия различных сред.

Все виды ШСНУ включают три главные взаимосвязанные части: привод, устанавливаемый у устья скважины; плунжерный насос, располагаемый в глубине скважины, и колонну насосных штанг, присоединяемую к приводу, сообщающему подвижной части насоса возвратно-поступательное движение, и этим приводящую его в действие.

В качестве привода ШСНУ в нашей стране и за рубежом наиболее широко применяются балансирные станки-качалки, состоящие из редуктора и сдвоенного четырехзвенного шарнирного механизма, преобразующего вращательное движение кривошипов в поступательное движение балансира, к дуге головки которого с помощью гибкого звена -- канатной подвески -- подсоединен устьевой шток с прикрепленной к нему колонной насосных штанг.

Широкому распространению станков-качалок способствовала их высокая надежность.

1. Общие сведения

Из механизированных способов добычи нефти наибольшее распространение получили штанговые скважинные насосные установки (ШСНУ). Этому способствовали конструктивная простота, недефицитность и дешевизна применяемых при их изготовлении материалов, высокая надежность и неприхотливость в обслуживании.

Различие нефтяных скважин по объему продукции и требуемой высоте ее подъема определяет необходимость иметь размерный ряд по мощности штанговых насосных установок.

Разнообразие профилей скважин, состава продукции обусловливает необходимость иметь несколько конструктивных вариантов внутри скважинных элементов оборудования, наиболее приспособленных к условиям эксплуатации, и варианты исполнения этих элементов оборудования, соприкасающихся с продукцией, так же и по применяемым материалам, с тем чтобы обеспечить их наибольшую износостойкость, коррозионную стойкость и коррозионно-усталостную прочность в условиях воздействия различных сред.

Все виды ШСНУ включают три главные взаимосвязанные части: привод, устанавливаемый у устья скважины; плунжерный насос, располагаемый в глубине скважины, и колонну насосных штанг, присоединяемую к приводу, сообщающему подвижной части насоса возвратно-поступательное движение, и этим приводящую его в действие.

В качестве привода ШСНУ в нашей стране и за рубежом наиболее широко применяются балансирные станки-качалки, состоящие из редуктора и сдвоенного четырехзвенного шарнирного механизма, преобразующего вращательное движение кривошипов в поступательное движение балансира, к дуге головки которого с помощью гибкого звена -- канатной подвески -- подсоединен устьевой шток с прикрепленной к нему колонной насосных штанг.

2. Устройство, назначение и принцип работы скважинных штанговых насосов

Скважинные штанговые насосы (СШН) представляют собой вертикальную конструкцию одинарного действия с шариковыми клапанами, неподвижным цилиндром и металлическим плунжером.

Предназначены для откачки из нефтяных скважин жидкости, имеющей следующие показатели: температуру не более 403є К, обводненность не более 99% по объему, вязкость не более 0,3 Па с, минерализацию воды до 10 г/л, содержание механических примесей до 35 г/л, объемное содержание свободного газа на приеме насоса не более 25%, сероводорода не более 50 мг/л и концентрацию ионов водорода рН = 4,2 - 8

Рис. 1 Устройство погружного штангового насоса

Принцип действия погружного штангового насоса следующий. При ходе поршня 3 в цилиндре 6 в вверх открывается шариковый клапан 1 и закрывается шариковый клапан 2, что обеспечивает поступление жидкости в цилиндр насоса, а также подъем жидкости на поверхность. При ходе поршня вниз закрывается клапан 1 и открывается клапан 2. Происходит перетечка жидкости в надпоршневое пространство. Далее все повторяется.

3. Обзор конструкций

Известны различные конструкции ШСН. Остановимся на конструктивных особенностях тех насосов (7 типов и 3 исполнения), которые выпускает отечественная промышленность для нормальных и осложненных условий эксплуатации (рис. 9.2). Они обеспечивают подачу от 5,5 до 400 м³/сут при глубине подвески насоса до 3500 м.

1. По способу крепления к колонне НКТ:

вставные (НВ) скважинные насосы.

невставные (НН) скважинные насосы.

2. По исполнению цилиндра:

Б - с толстостенным цельным цилиндром;

С - с составным цилиндром;

3. По конструктивным особенностям, определенным функциональным назначениям:

Т - с полым штоком, обеспечивающим подъем жидкости по каналу колонны трубчатых штанг;

А - со сцепляющим устройством (только для насосов типа НН) для сцепления колонны насосных штанг с плунжером насоса;

Д1 - одноступенчатые двухплунжерные, обеспечивающие откачку высоковязкой жидкости;

Д2 - одноступенчатые двухплунжерные с двуступенчатым сжатием откачиваемой жидкости;

У - с разгруженным цилиндром ( только для насосов типа НН2), снимающим циклическую нагрузку при работе;

4. По стойкости к среде:

без обозначения - нормальные, т. е. стойкие к среде с содержанием механических примесей до 1,3 г/л;

И - абразивостойкие, т.е. стойкие к среде с содержанием механических примесей более 1,3 г/л

Изготавливают скважинные штанговые насосы следующих конструкций:

· НВ1 - вставной с замком на верху

· НВ2 - вставной с замком внизу

· НН - невставной без ловителя

· НН1 - невставной с захватным штоком

· НН2 - невставной с ловителем

Ниже на рисунке 2 и 3 показаны конструктивные исполнения насосов.

Рис. 2 Штанговые вставные насосы



Рис. 3 Штанговые не вставные насосы

Цилиндр невставного (трубного) скважинного насоса присоединяется к колонне НКТ и вместе с ней спускается в скважину. Плунжер НСН вводится через НКТ в цилиндр вместе с подвешенным к нему всасывающим клапаном на насосных штангах. Чтобы не повредить плунжер при спуске, его диаметр принимают меньшим внутреннего диаметра НКТ примерно на 6 мм. Применение НСН целесообразно в скважинах с большим дебитом, небольшой глубиной спуска и большим межремонтным периодом. Для смены насоса (цилиндра) необходимо извлекать штанги и трубы.

В верхней части плунжера насоса НСН-1 размещается нагнетательный клапан и шток с переводником под штанги. К нижнему концу плунжера с помощью наконечника на захватном штоке свободно подвешивается всасывающий клапан. При работе клапан сажается в седло корпуса. Подвешивать всасывающий клапан к плунжеру необходимо для слива жидкости из НКТ перед их подъемом, а также для замены клапана без подъема НКТ. Наличие захватного штока внутри плунжера ограничивает длину его хода, которая в насосах НСН1 не превышает 0,9 м.

В насосе НСН2 в отличие от насоса НСН1 нагнетательный клапан установлен на нижнем конце плунжера. Для извлечения всасывающего клапана без подъема НКТ используется ловитель (байонетный замок), который крепится к седлу нагнетательного клапана. Ловитель имеет две фигурные канавки для зацепления. В клетку всасывающего клапана ввинчен шпиндель (укороченный шток) с двумя утолщенными шпильками. После посадки всасывающего клапана в седло корпуса поворотом колонны штанг на 1--2 оборота против часовой стрелки добиваемся того, что шпильки шпинделя скользят по канавкам ловителя и всасывающий клапан отсоединяется от плунжера. Захват осуществляется после посадки плунжера на шпиндель при повороте колонны штанг по часовой стрелке.

Насос НСН2 выпускается с верхним и нижним креплением цилиндра к НКТ. Во втором случае цилиндр насоса нижним концом устанавливается в муфте НКТ посредством переводника, а верхний конец его свободен, т. е. цилиндр разгружен. Максимальная глубина спуска насосов НСН2 с нижним креплением по сравнению с насосами НСН1, а также НСН2 с верхним креплением, увеличивается соответственно с 1200 и 1500 м до 2200 м.

Вставной скважинный насос в собранном виде спускается внутрь НКТ на штангах. Крепление (посадка и уплотнение) НСВ происходит на замковой опоре, которая предварительно спускается на НКТ (замковые опоры изготовляют с пружинными или малогабаритными якорями). Насос извлекается из скважины при подъеме только колонны штанг. Поэтому НСВ целесообразно применять в скважинах с небольшим дебитом при больших глубинах спуска.

Насос НСВ1 включает цилиндр, плунжер, замок, нагнетательный, всасывающий и противопесочный клапаны. Всасывающий клапан ввернут в нижний конец цилиндра, а нагнетательный -- плунжера. Для повышения надежности и долговечности насоса эти клапаны выполнены сдвоенными парами «седло -- шарик». Вверху плунжера имеется шток с переводником под штанги. Замок и противопесочный клапан размещены в верхней части цилиндра.

Насос НСВ2 в отличие от насоса НСВ1 имеет замок в нижней части цилиндра. Насос сажается на замковую опору нижним концом. Это освобождает цилиндр насоса от циклической растягивающей нагрузки и позволяет значительно увеличить глубину подвески насосов. Если максимальная глубина спуска насосов НСВ1 не превышает 2500 м, то для насосов НСВ2 она составляет 2500--3000 м.

Для эксплуатации скважин при наличии осложненных условий разработаны насосы специальных типов или исполнений. При откачке жидкости с объемным содержанием песка до 0,2 % более надежен насос исполнения НСВ1П, имеющий в отличие от насоса НСВ1 одинарные клапаны с седлами из твердого сплава ВК6-В. Для откачки жидкости с объемным содержанием песка более 0,2 % предназначен насос исполнения НСН2Т с использованием трубчатых штанг (откачиваемая жидкость из плунжера поступает в полые штанги и по ним поднимается на поверхность).

Для эксплуатации скважин обводненных (более 99 %) и с значительным пескопроявлением (более 0,2 %) разработаны насосы исполнения НСВ1В и НСН2В. В них установлены узлы верхней и нижней защиты с эластичными воротниками, которые предотвращают попадание песка в зазор между плунжером и цилиндром. Внутри плунжера установлен сепаратор для отделения нефти из откачиваемой жидкости и смазки ею трущихся поверхностей плунжерной пары. Для откачки высоковязкой (до 300 мПа с) жидкости предназначен дифференциальный насос одностороннего действия НСВГ, состоящий из двух спаренных насосов, один из которых (верхний) является рабочим, а другой создает дополнительное усилие для проталкивания плунжера в цилиндре при ходе вниз.

Насос НСВД в отличие от насоса НСВГ на нижнем конце нижнего цилиндра имеет еще один всасывающий клапан, что создает дополнительную камеру для сжатия газированной жидкости. При ходе плунжеров вверх заполняется объем нижнего цилиндра и в кольцевом пространстве дожимается газированная жидкость. При ходе вниз часть жидкости из нижнего цилиндра перетекает в подъемные трубы, а часть заполняет кольцевое пространство. Такая конструкция обеспечивает работу насоса при объемном содержании свободного газа на приеме не более 25 %, а для остальных конструкций допустимое объемное содержание свободного газа не должно превышать 10 %.

Насос НСНА позволяет осуществлять форсированный отбор жидкости из скважин через НКТ, диаметр которых меньше диаметра плунжера. Это достигнуто особой его конструкцией -- наличием автосцепа, включающего сцеп и захват, и сливного устройства.

Цилиндры насосов бывают втулочные (собранные из коротких стальных или чугунных втулок в кожухе) и безвтулочные (из цельной стальной трубы). Плунжеры изготавливают из стальных труб длиной 1,2; 1,5 и 1,8 м. Наружная поверхность плунжера и внутренняя поверхность втулок отполированы. В зависимости от содержания механических примесей в откачиваемой жидкости применяют гладкие или с кольцевыми канавками на наружной поверхности (типа «пескобрей») плунжеры. Насосы изготавливают четырех групп посадок (0; 1; 2; 3) с зазором между плунжером и цилиндром соответственно не более 0,045; 0,02--0,07; 0,07--0,12 и 0,12--0,17 мм. 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. Условный размер насосов (по диаметру плунжера) и длина хода плунжера соответственно приняты в пределах: для НСВ -- 28--55 мм и 1,2--6 м, а для НСН -- 28--93 мм и 0,6--4,5 м. В целом отечественная промышленность выпускает широкого ассортимента насосное оборудование для добычи нефти в разнообразных условиях.

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

Усовершенствованный скважинный штанговый насос.

У существующих скважинных насосов невставного исполнения имеются следующие недостатки:

· при подъеме всасывающего клапана не происходит слив жидкости из труб

· дистанционно не осуществляется управление приемным клапаном

· невозможно проводить прямую промывку скважин или промывку НКТ от отложений солей и парафинов.

В целях устранения этих недостатков был разработан усовершенствованная конструкция штангового насоса невставного типа. На рисунке 4 изображено устройство усовершенствованного штангового насоса невставного типа.

Рис. 4 Усовершенствованиый штанговый насос.

1 -- толкатель; 2 -- уплотнительный элемент; 3 -- поворотная втулка; 4 - вертикальный паз; 5 -- ось; 6 -- ролик; 7 -- кулачок; 8 -- полость кулачкового механизма; 9 -- перегородка; 10 -- окно; 11 -- предохранительный палец; 12 -- телескопический стержень; 13 -- шарнир; 14 -- окно; 15 -- корпус; 16 -- эксплуатационная колонна; 17 -- кольцевой выступ; 18 -- уплотнительный элемент; 19 -- пружина; 20 -- шайба; 21 -- болт; 22 -- упор; 23 -- упругий элемент; 24 -- полустержень; 25 -- ролик; 26 -- ось; 27 -- днище; 28 -- цилиндр насоса; 29 -- стержень; 30 -- клетка приемного клапана; 31 -- шарик; 32 -- седло; 33 -- переводник; 34 -- муфта; 55 -- фильтр; 36 -- направляющие кулачки.

Основным узлом штанговых насосов является клапан. В изготавливаемых насосах используются клапана разных конструкций. Так же используются разные исполнения «седло - клапан». Разновидности конструкций приведены ниже на рисунке 5 пары «седло - клапан» и рисунке 6 различные исполнения клапанов.

Рис. 5. Пары седло -- шарик насосов.

а -- К или КИ; б -- КБ, в -- КИ. 1 -- шарик; 2 -- седло: 3 -- кольцо из твердого сплава



Рис.6. Клапаны различных исполнений.

а - С1К.dH (C1KИ.dH); б - С2K.dH; в - C2KБdH; г - С1К.dЛ (C1KИ.dЛ); д - С1КБ.dЛ; е - С1К.dВ (C1KИ.dВ); ж - С2K.dВ; з - C2KБdВ; и - 1С2K.dВ; к - 1С2KБ.dВ; 1 - стакан; 2 -- корпус клапана; 3 -- пара седло - шарик, 4 -- наконечник.

4. Выявленные недостатки и метод их устранения

При рассмотрении вышеперечисленных насосов был выявлен недостаток в насосах типа НН2С - повышенного износа пары седло - клапан.

Устраним недостаток насосов такого типа применением комбинированного исполнения седла клапана с вставкой из высокопрочного матерала.

5. Прочностные расчеты

Исходя из выбранного конструктивного решения требуется рассчитать седло клапана на прочность по испытываемой динамической нагрузки под действием шарика.

Вставка устанавливается в седло клапана в нагретом состоянии, натяг образующийся между седлом и вставкой позволяет прочно закрепить вставку в седле. Для вставки используем лигированую сталь ПХ17Х2.

Рис. 7 - пара седло - клапан

Для стали ПХ17Х2 модуль упругости Е=2·10⁵ МПа, максимально допустимое напряжение [у_д]=130 МПа.

При вертикальном ударе:

у_д=P/F(1+)?[у_д]; [11]

Усилие Р равно 0,3 кг; h=0,015 м; l=3 мм; d=0,014 мм; F=0,0016 м²

у_д=0,3/0,0016 (1+(1+2*0,003*2*10⁵*0,00016/0,3*0,003)^1/2)=92,589 МПа <[у_д]

Вставка выдерживает заданную динамическую нагрузку

6. Гидравлические расчеты

Главный показатель любого насоса - подача. Теоретическая подача штангового насоса равна:

Q_т=1440 n ( S₀ - л ) f_п [10]

где:

n - частота хода плунжера, с^-1

S₀ - длина хода точки подвеса штанг, м

л - потери хода плунжера насоса из-за удлинений штанг, м

f_п - площадь плунжера, м²

Фактическая подача зависит от многих факторов. Прежде всего, следует разделить понятия подачи в исправной и неисправной насосной установке. В неисправной установке подача может сильно уменьшиться или совсем прекратиться из-за больших утечек в изношенных насосе или насосных трубах. К неисправности следует отнести насосную установку, в которой из-за малой глубины погружения насоса под динамический уровень и отсутствия газосепарирующих устройств (газового якоря) происходит срыв подачи насоса при откачке продукции с большим содержанием газа. В исправной насосной установке подача ее постепенно снижается по мере износа насоса. Поэтому фактическая подача насоса, если исключить случаи работы при очень высоком динамическом уровне (полуфонтанирующие скважины), всегда существенно меньше, чем теоретическая.

Отношение фактической подачи насоса к теоретической называется коэффициентом подачи:

з_п= Q_ф/ Q_т [10]

насос клапан скважинный штанговый

В нефтепромысловой практике при определении з_п часто теоретическую подачу вычисляют без учета влияния потери хода плунжера л.

Для расчета средних добычных возможностей ШСНУ можно принять следующие расчетные значения з_п в зависимости от диаметра плунжерной пары скважинного насоса [10].

d_п,мм 28 32 38 43 55 68

з_п 0,65 0,70 0,75 0,80 0,80 0,85

Для клапана применяемого в проектном насосе d_п=55 мм, соответственно з_п=0,80.

Если задать значения n и S₀ можно подсчитать фактическую подачу насоса.

Длинна хода S₀ современных штанговых насосов находится в пределах 0,5 - 3,2 м, частота хода плунжера n 5 - 20.

Площадь плунжера f_п:

f_п=р d_п²/4; f_п=3,14 0,055²/4=0,00238 м²

Рассчитаем максимальную и минимальную подачу насоса:

Q_min=1440 n_min S_min f_п з_п; Q_max=1440 n_max S_max f_п з_п

Q_min=1440 5 0,5 0,00238 0,8=6,8544 м³/сут

Q_max=1440 20 3,2 0,00238 0,8= 175,47264 м³/сут

Так как в задании не оговорено режимов работы насоса, будем считать, что клапан работает в нормальном режиме до установления в нем турбулентного течения.

Из [14]:

R_e=V d / х<2300

где:

V - скорость движения жидкости в клапане, м/с

d - диаметр пропускного отверстия клапана

Зная величины d и х можно определить V:

V= R_e х/ d

V=2300 0,2/0,055=8363,64 м/с

Из [14]:

Q=р d²/4 V

Отсюда: V= 4 Q/ р d²; V=4 175,47264/3,14 0,003025=73857,423 м/с

При сравнивании значений скоростей видно, что скорость движения жидкости ниже чем максимально допустимая, что не противоречит условию нормального движения жидкости.

Литература

1. Мухаметзянов А.К. Добыча нефти штанговыми насосами. - М.: Недра, 1993 - 566 с.

2. Элияшевский И.В. Типовые задачи и расчеты в бурении. - М.: Недра, 1983 - 266 с.

3. Розенберг Г.Д. Сборник задач по гидравлике. - М.: Недра, 1990 - 324 с.

4. Мищенко И.Т. Расчеты в добыче нефти. - М.: Недра, 1989 - 256 с.

5. Раабен А.А. Ремонт и монтаж нефтепромыслового оборудования. - М.: Недра, 1989 - 326 с.

6. Акульшин А.И. Эксплуатация нефтяных и газовых скважин. - М.: Недра, 1983 - 456 с.

7. Бабаев С.Г. Повышение износостойкости плунжерной пары. - М.: Недра, 1973 - 348 с.

8. Беззубов А.В. Насосы для добычи нефти. - М.: Недра, 1973 - 356 с.

9. Г.С. Справочник по сопротивлению материалов. - Киев.: Наукова думка, 1975. - 698 с.

10. Чичеров А.К. Расчет и конструирование нефтепромыслового оборудования. - М.:Недра, 1968. - 439 с.

11. Справочник по сопротивлению материалов. (под ред. Косихина Б.В.), - М.: 1990. - 780 с.

12. Лекции преподавателя кафедры МОНГП КГТУ. Д.О. Макушкин

13. Лекции преподавателя кафедры МОНГП КГТУ. В.Г. Иванов.

14. Лекции преподавателя кафедры МОНГП КГТУ. П.М. Кондрашов.

Размещено на Allbest.ru