ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ШСНУ

 

ПЕРЕПУСК ГАЗА ИЗ ЗАТРУБНОГО ПРОСТРАНСТВА

В ВЫКИДНУЮ ЛИНИЮ С ПОМОЩЬЮ КЛАПАННЫХ

УСТРОЙСТВ

Повышение давления в затрубном пространстве приводит к росту противодавления на пласт и, следовательно, к уменьшению притока жидкости к забою, оттеснению уровня жидкости до приема насоса, попаданию газа в насос, снижению его подачи или аварийному выходу из строя.

Повсеместное применение на промыслах напорной системы сопровождалось ростом устьевых давлений скважин, что также вызывает увеличение затрубного давления.

Снижение давления газа в затрубном пространстве является значительным резервом увеличения добычи нефти, поэтому в разных нефтяных регионах эта техническая задача решается различными методами.

Наибольшее распространение получили устьевые обратные клапаны, монтируемые на затрубном патрубке или устьевой арматуре, схема конструкций которых приведена на рис. 2.16.

Рис. 2.16. Трубная головка с перепускным клапаном:

/ - опорный фланец; 2 - корпус; 3 - боковой отвод; 4 - несущая головка; 5 -

уплотнительные прокладки;   6 - седло; 7 - шарик; 8 - контргайка;   9 -

запорная пробка; Г - канал

Однако в зимнее время при низких температурах они замерзают, что снижает их эксплуатационную надежность. Кроме того, эти клапаны срабатывают только при условии повышения давления в затрубном пространстве до значения, превышающего давление в сборном трубопроводе. А поскольку давление в последнем зависит от длины трубопровода, его геодезической отметки, вязкости жидкости, т.е. от многих причин, и зачастую является высоким, в затрубном пространстве также поддерживается высокое давление.

Получили применение скважинные обратные клапаны сброса газа, монтируемые на НКТ (рис. 2.17). Они лишены недостатка, присущего устьевым клапанам, - не замерзают при низких температурах. Однако они срабатывают также при условии образования заданного перепада давления между затрубным пространством и трубопроводом.

Перспективным для условий объекта ОАО «Оренбургнефть» является способ принудительного сброса газа, разработанный нефтяниками Башкортостана (рис. 2.18).

Рис.     2.17.     Скважинный    клапан для автоматического перепуска газа:

/ - штифт; 2 - пружина; 3 - шар;

4  - корпус клапана;   5 - муфта; А

-канал движения

Рис. 2.18. Установка штангового

насоса  с поршневым газоперепускным клапаном:

/ - насос; 2 - НКТ; 3 - штанги; 4 -

затрубное пространство; 5 -

плунжер; 6 - сальники; 7, 10 -

клапаны перепускные; 8 - полость

НКТ; 9 - трубопровод; / / - шар

Устройство состоит из полого плунжера 5 с упругими манжетами на его поверхности и обратным клапаном внутри и двух перепускных клапанов 7 и 10, монтируемых ниже и выше плунжера. Плунжер монтируется на колонне штанг на первой или второй из них от устья, а клапаны 7 и 10 — на расстоянии, равном длине хода полированного штока от крайнего нижнего или верхнего положения головки балансира.

Особенностью устройства является принудительный захват газа из затрубного пространства. При движении плунжера 5 в его подпоршневой или надпоршневой области создается разрежение, в которое поступает газ из затрубного пространства через обратные клапаны 7 и 10.

СКВАЖИННАЯ ШТАНГОВАЯ НАСОСНАЯ УСТАНОВКА

 

Недостаточная            пропускная

способность клапанных узлов существующих штанговых насосов [40, 148, 150] из-за малых размеров проходных каналов клапана и плунжера при откачке вязкой жидкости является одной из главных причин снижения эффективности их работы.

При использовании невставных ШГН для подъема высоковязкой нефти и эмульсий возникает зависание колонны штанг при ходе головки балансира вниз. По данным теоретических  исследований  значение

вязкости откачиваемой жидкости, при которой происходит зависание штанг, зависит от диаметра НКТ, штанг и составляет около 10 Пас. Однако в промысловых условиях зависание колонны штанг наблюдается при вязкости жидкости менее      1 Пас.

Одной из причин зависания колонны штанг является то, что при ходе плунжера вниз объем жидкости, вытесненной через узкий канал седла нагнетательного клапана и канал плунжера, не успевает продавливаться в пространство над плунжером. Под плунжером создается кратковременное повышение давления, которое препятствует ходу вниз. Это можно рассмотреть на примере исполнения невставного штангового насоса.

 

Невставной штанговый насос НН2Б-44-30-15 имеет плунжер диаметром 43,5 мм, диаметр шарика нагнетательного клапана 25,4 мм, а его седла 22 мм. Диаметр шарика приемного клапана 28,57 мм, а диаметр канала седла 24,7 мм. Отношение площади плунжера к площади канала седла нагнетательного клапана составляет 3,91, а приемного клапана 3,1. Следовательно, клапаны выполнены в виде гидравлического сужающегося устройства, на котором возникает повышенное гидравлическое сопротивление. Таким же образом выполнены

невставные штанговые насосы по стандарту Американского нефтяного института [40].

Устранение отмеченных недостатков ШГН в работе [122] достигается путем увеличения площади проходных каналов клапанов насоса до размера поперечной площади плунжера.

Скважинная штанговая насосная установка состоит (рис. 2.13) из подъемной трубы (НКТ) //, муфты 10 с установочными винтами 9, цилиндра 8 насоса и его плунжера 6, имеющего окна 7 для приема осевшей механической примеси и резьбу для присоединения штанги. На нижнем конце плунжера установлена пробка-заглушка 15. Цилиндр насоса с наружной резьбой на нижнем конце прикреплен к центру переводника 16, в стенке которого по окружности выполнены продольные каналы 17 для прохода жидкости. Переводник имеет наружную резьбу для присоединения корпуса 12 нагнетательного клапанного узла и муфтовую резьбу для закрепления совмещенного узла сливного и приемного клапанов. Цилиндр насоса заключен в трубный кожух 5, который образует кольцевое пространство 4 между цилиндром и внутренним диаметром кожуха. Корпус нагнетательного клапанного узла, выполненный в форме муфты, верхней частью присоединяется к кожуху, а нижней - к переводнику. Проходные каналы жидкости седла /, имеющего форму втулки, выполнены в его стенке, при этом каналы расположены по окружности и по форме исполнения соответствуют каналам переводника. Седло с боковым выступом закрепляется к внутреннему выступу корпуса переводником так, чтобы совпадали проходные продольные каналы для жидкости. Через центральный канал седла пропущена нижняя часть цилиндра насоса. В кольцевом пространстве внутри корпуса над седлом расположен кольцевой затвор 2 ступенчатой формы, который образует кольцевое пространство между цилиндром и внутренним диаметром затвора. Ступенчатая часть затвора воспринимает усилие от пружины сжатия 3. Внутренний канал пружины сжатия обеспечивает достаточную кольцевую площадь для прохода жидкости вдоль наружной поверхности цилиндра.

Внутренняя поверхность корпуса нагнетательного клапана выполнена с продольными 13 и поперечными 14 канавками. Образующиеся каналы пересекаются между собой. Подпружиненный затвор снабжен окнами для пропуска жидкости в кольцевое пространство вдоль цилиндра насоса. В сливном клапане предусмотрен ограничитель хода плунжера вниз. Конструкция узла сливного и всасывающего клапанов представлена на рис. 2.14.

Рис.  2.13.   Невставной штанговый глубинный насос с увеличенным проходным сечением клапанов [122]

Рис. 2.14. Узел сливного и всасывающего клапанов ШГН:

/ - переводник для присоединения приемных устройств насоса; 2 - корпус клапана; 3 - седло клапана; 4 - клапан; 5 - пружина клапана; 6 - шток клапана; 7 - сливной клапан; 8 - корпус сливного клапана (переводник)

Скважинная штанговая насосная установка работает следующим образом (см. рис. 2.13). При ходе плунжера 6 вверх под его пробкой-заглушкой 15 образуется полость пониженного давления, кольцевой затвор 2 закрывает проходные каналы 17 жидкости на седле / и открывает подпружиненный тарельчатый приемный клапан. Объем жидкости, прошедший через приемный клапан, занимает переменный объем в подплунжерной полости. За счет равенства площадей проходных каналов клапана и плунжера практически не происходит изменение скорости потока. При относительно малой скорости движения жидкости обеспечиваются наименьшие потери напора в самом насосе.

В верхней мертвой точке хода плунжера под действием пружины закрывается приемный клапан. За счет наличия пробки-заглушки 15 в нижней части плунжера на него постоянно действует давление столба жидкости в НКТ. При ходе плунжера вниз уменьшается объем подплунжерной полости и соответственно увеличивается объем над плунжером. После выравнивания давлений жидкости над и под плунжером открывается кольцевой затвор 2, преодолевая усилие пружины 3. При этом приемный клапан закрыт. Жидкость из подплунжерной полости через край нижнего конца цилиндра 8 плунжером продавливается в продольные проходные каналы 17 переводника 16 и седла /, далее жидкость проходит по кольцевому пространству 4 в корпусе 12 ив кожухе 5 и выходит в нагнетательную часть цилиндра. При ходе плунжера вниз подачи жидкости на дневную поверхность не происходит, а осуществляется выдавливание жидкости из подплунжерной полости в освободившийся объем над плунжером, т.е. по обводному каналу жидкость перетекает в нагнетательную часть цилиндра.

При ходе плунжера вверх уменьшается высота столба жидкости над плунжером и происходит подача жидкости на дневную поверхность, а в подплунжерной полости осуществляется процесс всасывания.

Спуск рассматриваемого ШГН в скважину производится в той же последовательности, какая принята для спуска обычных трубных штанговых насосов. Вначале на подъемных трубах спускается цилиндр с кожухом, в кольцевом пространстве которого закреплен нагнетательный клапанный узел. На нижней части переводника закрепляют совмещенный узел приемного и сливного клапанов. После закрепления трубного кожуха, цилиндра в переводнике и нагнетательного клапанного узла верхний свободный конец цилиндра 8 центрируют и закрепляют установочными винтами 9 на муфте 10 первой подъемной трубы //.    Проверяется   достаточность   расстояния   между   верхним

торцом цилиндра насоса и внутренним выступом в муфте первой подъемной трубы. Площадь прохода для жидкости не должна быть меньше площади плунжера. После монтажа НКТ на штангах спускают плунжер с заглушкой-пробкой на нижнем конце до посадки его на внутреннем буртике - ограничителе хода в сливном клапане. Ход полированного штока регулируется на устье скважины.

Конструкция плунжера с заглушкой-пробкой на нижнем конце дает возможность использовать его для скопления некоторого количества выпавшей сверху механической примеси. Поперечные 14 и продольные 13 канавки не только накапливают механические примеси, но и позволяют удалять их из зазора потоком жидкости в продольном канале корпуса в кольцевое пространство, предотвращая тем самым заклинивание подпружиненного затвора 2 механической примесью. Поперечные и продольные канавки также обеспечивают смазку затвора. Такое исполнение корпуса нагнетательного клапана и плунжера насоса позволяет уменьшить число отказов подпружиненного затвора.

Как показали промысловые испытания, ШГН с широкими проходными сечениями клапанов повышают эффективность подъема высоковязких жидкостей.

Кроме описанных конструкций существует также целый ряд насосов и устройств, так или иначе решающих проблему добычи высоковязкой нефти. Все они имеют свои преимущества и недостатки. Выбор того или иного технического решения определяется конкретными условиями и зависит от реологических свойств добываемой жидкости, конструкции скважины и геолого-физических и технологических условий разработки конкретной залежи. Имеется ряд других решений по выбору конструкций глубинно-насосного оборудования для добычи высоковязких жидкостей. Ограниченный объем книги не дает возможность продолжить их описание.

ШТАНГОВАЯ ГЛУБИННО-НАСОСНАЯ УСТАНОВКА С ТАРЕЛЬЧАТЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ

 

Установка (рис. 2.10) [22] предназначена для повышения эффективности эксплуатации скважин, продуцирующих вязкую жидкость путем улучшения условий всасывания, нагнетания и снижения динамических нагрузок на колонну насосных штанг.

Установка включает в себя укороченный цилиндр /, в теле которого выполнено сливное отверстие 2; полый плунжер 3, кинематически связанный с колонной штанг 12; всасывающий 6 и нагнетательный 8 клапаны с запорными элементами 5 и 4.

Колонна   штанг   12   снабжена   жестко   с   ней   связанными

Рис. 2.10. Скважинная

штанговая насосная

установка [20]

 

 

толкателями 7 и //, на нижнем из которых 7 размещен запорный элемент 4, выполненный в виде набора отдельных, свободно расположенных на колонне штанг тарельчатых элементов 13 и 14, перекрывающих друг друга при ходе вверх. Колонна штанг расположена с учетом возможности возвратно-поступательного движения внутри плунжера 3. Цилиндр / снизу снабжен патрубком 9, жестко связанным с цилиндром.

Установка работает следующим образом. При ходе штанг 12 вверх запорный элемент 4 нагнетательного клапана 8 плавно перекрывает полость плунжера 3 и перемещает его вверх вместе с заполнившей его полость жидкостью. Одновременно через всасывающий клапан 6 происходит поступление жидкости в патрубок 9 и в подплунжерную полость.

При ходе плунжера вниз запорный элемент 4 открывает клапан 8 и жидкость заполняет полость плунжера. При этом всасывающий клапан 6 закрыт.

В процессе работы сквозное отверстие 2 в стенке цилиндра / должно быть постоянно перекрытым. Оно служит для промывки скважины. Для этого несколько приподнимают колонну штанг выше цилиндра и тем самым сообщают полость НКТ с затрубным пространством скважины.

Монтаж установки производится в следующем порядке. Вначале на колонне НКТ 10 опускают цилиндр / в сборе с патрубком 9 и всасывающим клапаном 6. Затем на колонне штанг опускают запорный элемент 4 с тарельчатыми элементами 13 и 14, плунжером 3 и толкателями 7 и //.

СПЕЦИАЛЬНЫЙ ШТАНГОВЫЙ НАСОС ДЛЯ ДОБЫЧИ ВЯЗКОЙ ЖИДКОСТИ

 

Совершенствование конструкции насосного оборудования для подъема вязкой жидкости привело к созданию специального насоса (рис. 2.8) [16].

Принципиальной особенностью насоса является применение узлов, обеспечивающих принудительное наполнение цилиндра насоса вязкой жидкостью - силового насоса 8 и шнека 13. Насос включает в себя плунжер 3 с нагнетательным клапаном 2, соединенный сверху с автосцепом /, а снизу посредством штанги 4 - с силовым насосом 8. Последний снабжен клапаном 9, приемной 7 и нагнетательной 10 полостями, связанными гидролиниями 6 и // с гидромотором 12. Гидромотор 12 с помощью  муфты  5  жестко  соединен  со  шнеком   13.   Причем

гидромотор,  муфта  и  шнек  выполнены  полыми  и через  них пропущена штанга 4.

Работа насоса происходит следующим образом. При ходе
плунжера 3 насоса вниз его поступательное движение через
насосную штангу 4 передается плунжеру силового насоса 8-А.
При этом клапан 9 закрывается и рабочая жидкость,
находящаяся в полости 10, по гидролинии 6 поступает в
гидромотор 12. Вращение гидромотора через муфту 5 передается
шнеку 13, и он перемещает вязкую жидкость, заполнившую
пространство между лопатками, через окно А к приему полого
плунжера 3 через канал Б и далее через открытый клапан 2 в
надплунжерную область. При ходе плунжера 3 вверх клапан 2
закрывается под давлением находящейся в НКТ жидкости, и
столб жидкости перемещается к устью скважины. Силовой
плунжер             8             также             движется             вверх,

клапан 9 при этом
открывается, образуя канал
для перетока жидкости из

 

полости 7 в полость 10.
Одновременно             часть

 

жидкости    возвращается    в
камеру     винтового     насоса
(шнека).        Далее        цикл   
повторяется.                                       

Применение             шнека

позволяет,           во-первых,

разрушить структуру вязкой
жидкости,            во-вторых,

увеличить        коэффициент

наполнения насоса.

\

Сборка насоса описанной
конструкции производится в
мастерской. Затем он
вывозится на скважину.
Узлы установки - силовой
насос, гидромотор, шнек,
гидролинии представляют
собой единый блок, который                 

спускается в скважину на НКТ. Штанги опускаются отдельно и сочленяются с плунжером 3 с помощью автосцепа /.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОТЕРЬ ДАВЛЕНИЯ В КЛАПАННЫХ УЗЛАХ

 

Расчет максимального перепада давления Ар^, возникающего при движении откачиваемой продукции через клапанные узлы насоса, основывается на результатах работ A.M. Пирвердяна и Г.С. Степановой. В расчетах принято, что при наличии в потоке жидкости свободного газа в качестве расчетной используется максимальная абсолютная скорость течения смеси через отверстие седла клапана, а при откачке обводненной смеси не образуется высоковязкая эмульсия.

Расчет перепада давления Ар^ ведется в следующем порядке.

 

Расходы газожидкостной смеси через всасывающий Q см(рп) и нагнетательный Осм(Рвн) клапаны определяют по формулам:

 

Оклвс= Осм(Рпг);                           (2-42)

Оклн=  Осм(Рвн)-                                         (2.43)

Максимальная скорость движения продукции t>max в отверстии седла клапана с учетом неравномерности движения плунжера и соответствующее этой скорости число