Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
СКВАЖИННЫЕ ГИДРОПОРШНЕВЫЕ ДВИГАТЕЛИ, НАСОСЫ И ЗОЛОТНИКИ
Погружной агрегат состоит из насоса и двигателя с золотниковым распределением потока жидкости. Двигатель может быть дифференциальным или двустороннего действия, а насос — дифференциальным, одно- или двустороннего действия. Учитывая различное расположение рабочих полостей в двигательной и насосной частях, возможно создание более 900 схем погружных агрегатов гидропоршневых насосов. Число схем, реализованных в серийных или опытных образцах, невелико. В основном это агрегаты с двигателем и насосом двустороннего или дифференциального действия. Наиболее простое конструктивное решение агрегата возможно при двигателе и насосе дифференциального действия, агрегаты двустороннего действия сложнее, но у них более высокий КПД и более плавный режим работы (скорости движения поршней вверх и вниз близки). Рассмотрим наиболее простой агрегат дифференциального действия, разработанный в ОКБ БН по схеме, предложенной Л. Г. Чичеровым, В. М. Калининым, и др. конструкторами [1]. Погружной агрегат (рис. 6.4) состоит из поршня и цилиндра двигателя 1, штока 2, соединяющего поршень двигателя с поршнем насоса, золотника 3, поршня и цилиндра насоса 4. По каналу А рабочая жидкость поступает под поршень двигателя в полость Б, в которой создается постоянное давление рабочей по лости. Рис. 6.4. Схема дифференциального погружного агрегата
При положении поршней и золотника, указанном на рисунке, полости Б и В (под и над поршнем двигателя) соединены друг с другом. Шток нижним своим концом выходит в полость насоса, где давление равно давлению столба откачиваемой жидкости. Давление рабочей жидкости больше, чем давление столба откачиваемой жидкости. На поршень двигателя сверху и снизу действует одинаковое давление рабочей жидкости. На поршень насоса сверху и снизу действует давление столба откачиваемой жидкости. На шток сверху действует давление рабочей жидкости, а снизу — откачиваемой жидкости. Таким образом, создается сила, действующая на шток сверху вниз и продвигающая всю поршневую группу вниз. Происходит переток отбираемой жидкости из полости Д через нагнетательный клапан в полость Г над поршнем насоса. Всасывающий клапан насоса в это время закрыт. При этом часть откачиваемой жидкости в объеме штока, входящего в цилиндр насоса, выталкивается в подъемный канал. В крайнем нижнем положении поршней продольная канавка на верхней части штока соединяет полость Б с камерой под золотником Е. Поскольку нижняя головка золотника диаметром больше, чем верхняя, а давление над и под золотником одинаково и равно давлению рабочей жидкости, золотник под действием разности сил (произведение давления на площадь) поднимается в верхнее положение и сообщает каналы Б и С. Таким образом, полость Б сообщается с полостью Г, над поршнем двигателя устанавливается давление столба откачиваемой жидкости. Под поршнем двигателя, в полости Б, остается постоянное давление рабочей жидкости. В результате на поршень двигателя начинает действовать сила, обусловленная разностью давлений в полостях Б и В, и поршневая группа начинает движение вверх. У насоса закрывается нагнетательный и открывается всасывающий клапаны. Происходит всасывание жидкости из полости скважины в цилиндр насоса (в полость Д). В крайнем верхнем положении продольная канавка, расположенная в нижней части штока, соединяет полость Е у золотника с полостью Г. Давление под золотником падает до давления столба откачиваемой жидкости. Над золотником действует высокое давление рабочей жидкости. Под действием перепада давления золотник передвигается в нижнее положение, показанное на рис. 6.4. После этого рабочий цикл погружного агрегата повторяется. Конструкция погружного агрегата имеет следующие особенности. Поршни двигателя и насоса выполнены из стали с покрытием их поверхности хромом. Слой хрома толщиной около 0, 07 мм отличается высокой твердостью и хорошей износоустойчивостью. Напомним, что обычное декоративное покрытие имеет меньшую толщину хрома (около 0, 012 — 0, 02 мм). Цилиндры двигателя и насоса составлены из стальных втулок (сталь марки 38ХМЮА) с азотированной внутренней поверхностью. Образующиеся при азотировании карбиды позволяют повысить твердость поверхности втулок до 80 по шкале HRA. В результате в гидропоршневых насосах используется наиболее износоустойчивая пара трения. Такие же пары используются в штанговых насосах при особо тяжелых условиях их эксплуатации. Уплотнения подвижных деталей в агрегате щелевые. Они расположены между золотником и штоком, золотником и корпусом золотника, корпусом под золотники и штоком. Каналы А, Б, С при сбрасываемом погружном агрегате размещены в седле, спускаемом на НКТ. Это позволяет увеличить диаметры поршней агрегатов. Разобщение каналов осуществляется резиновыми манжетами, размещенными на погружном агрегате. Клапаны насосной части шаровые (шар и седло). Они те же, что и в штанговых насосах (см. гл. 2 настоящей книги). Длина хода поршней у погружных агрегатов гидропоршневых насосов достигает 1 м, число ходов в минуту — 30—60. Погружной агрегат, сбрасываемый в НКТ диаметром 73 мм, имеет внешний диаметр 58 мм и длину около 4 м. Скважина для гидропоршневых насосных установок оборудуется двумя колоннами НКТ, спускаемыми концентрично или параллельно, или одной колонной НКТ и пакером, уплотняющим пространство между НКТ и обсадной колонной. Таким образом, образуются два канала — один для подъема смеси добываемой жидкости и отработанной рабочей жидкости (НКТ или пространство между НКТ и обсадной колонной), другой — для рабочей жидкости (НКТ). В случае использования замкнутой системы циркуляции рабочей жидкости требуется спуск еще одной колонны НКТ. При трубном варианте погружной агрегат спускается в скважину на НКТ. При сбрасываемом агрегате на НКТ спускается седло для установки агрегата и под ним обратный шаровой клапан, позволяющий осуществить обратный поток рабочей жидкости при подъеме сбрасываемого погружного агрегата. Опыт работы в нашей стране с отечественными установками гидропоршневых насосов показал, что сбрасываемые погружные агрегаты могут работать в среднем с межремонтным периодом около 9 месяцев (270 сут). Подъем их производился без подъема труб — жидкостью. НКТ и пакеры не поднимались по несколько лет. Ожидалось, что подъем добываемой жидкости по обсадной колонне (при установке пакера) может привести к отложению парафина на обсадных трубах и осложнениям при подъеме НКТ и пакера. Однако опыт эксплуатации показал несостоятельность такого опасения. Смешивание добытой и рабочей жидкостей при подъеме их по обсадной колонне приводило к снижению относительного содержания газа, а также смол и парафинов в смеси и к незначительному отложению их на обсадных трубах. Такие результаты были получены на месторождениях Башкирии, Татарии и Самарской области. Необходимо учитывать, что большее, чем в этих районах, содержание в добываемой жидкости смол и парафинов может привести к худшим результатам. Поэтому в каждом частном случае необходимы анализ условий эксплуатации и обоснованный выбор схем оборудования скважин. Наземное оборудование состоит из оборудования устья, силового насосного агрегата, оборудования для подготовки рабочей жидкости, регулирующей и регистрирующей аппаратуры. Оборудование устья имеет детали для подвески НКТ на колонной головке, многоходовой кран для направления рабочей и отбираемой жидкостей в соответствующие каналы при спуске, работе и подъеме погружного агрегата, пружинного ловителя, свободно сбрасываемого агрегата и мачты с талевой системой с ручным приводом для извлечения агрегата из скважины или спуска его в скважину. Силовой насосный агрегат состоит из насоса и его привода. Наиболее часто применяется трехплунжерный насос. В нашей стране применяется насос с горизонтальным расположением цилиндров, в США некоторые фирмы используют насосы с вертикальным расположением цилиндров. Увеличенная скорость ходов плунжеров (около 400 в минуту) позволяет уменьшить габариты насосов. Насосы развивают давление от 16 до 30 МПа. Подача насосов достигает десятков литров в секунду. Параметры насосов зависят от характеристики двигателя погружного агрегата и от того, является ли насос приводом индивидуальной установки (предназначенной для одной скважины) или групповой установки (для нескольких скважин). Насосы подают к скважине жидкость, обычно нефть, очищенную от механических примесей и отделенную от воды и газа. Есть примеры использования в качестве рабочей жидкости воды с присадками, обеспечивающими смазку трущихся частей оборудования. Приводом насоса чаще всего служит электродвигатель. В некоторых случаях выгодно применять газомотор, работающий на нефтяном газе. Это экономично, поскольку применяется дешевое топливо и, с другой стороны, газомотор позволяет легко изменять частоту вращения приводного вала силового насоса и регулировать таким образом его подачу. Оборудование для подготовки рабочей жидкости (при незамкнутой ее циркуляции) имеет сепараторы для отделения газа, воды и механических примесей, отстойники, дозировочные насосы, подогреватели. Обычно применяются сепараторы объемного типа, вертикальные или горизонтальные, с подогревом поступающей смеси для лучшей деэмульсации и снижения вязкости смеси. После объемных сепараторов устанавливают батарею циклонных сепараторов для более тщательной очистки рабочей жидкости от газа и механических примесей. В некоторых установках применяют отстойники большой емкости. Для улучшения деэмульсации смеси рабочей и добытой жидкостей и отделения воды в смесь иногда подают реагенты-деэмульгаторы. Деэмульгаторы подаются в небольших объемах (десятки граммов на 1 м3 жидкости) дозировочными насосами с малыми подачами. Это обычно одноплунжерные насосы, имеющие регулируемую подачу. В качестве деэмульгаторов можно использовать неионогенный деэмульгатор дисолван и ПАВы различных марок. В установках гидропоршневых насосов имеется возможность подачи деэмульгатора не только в поверхностную систему, но и в подготовленную рабочую жидкость, направляемую в скважину. В этом случае действие деэмульгатора проявляется уже при выходе жидкости из погружного двигателя в НКТ. Предупреждается образование стойких высоковязких эмульсий, снижается гидравлическое сопротивление движению смеси в трубах, облегчается отделение воды в системе подготовки рабочей жидкости и при подготовке товарной нефти. Деэмульсация при подготовке рабочей жидкости и отделение воды облегчаются при подогреве жидкости. Подогреватели могут быть с теплоносителем в виде пара или горячей воды или электрическими в виде специальных лент, в изоляции которых уложены электропроводящие жилы с большим сопротивлением (из константана, нихрома и т.д.). Подогрев осуществляется в отстойниках или сепараторах, или в линиях, подводящих смесь от скважины к этим устройствам. Система подготовки рабочей жидкости может включать все перечисленные части, а может быть и значительно упрощена в зависимости от конкретной характеристики добываемой жидкости и климатических условий. Опыт эксплуатации гидропоршневых насосов в нашей стране показал, что для нормальной работы погружного агрегата достаточно снизить содержание воды в рабочей жидкости до 5 % и механических примесей до 0, 5—0, 3 г/л. Контроль за режимом работы установки гидропоршневого насоса, поддержание этого режима или изменение его осуществляются аппаратурой, включающей расходомер, манометр, стабилизатор режима, регулирующие вентили. В агрегатах одностороннего действия (рис. 6.5, а) шток с двумя поршнями совершает возвратно-поступательное движение в результате попеременной подачи жидкости из напорного трубопровода то в полость 3, то 4. Жидкость подается золотниковым устройством. В результате в насосе одинарного действия при ходе поршня вверх пластовая жидкость попадает через всасывающий клапан 1 в полость 6, а при ходе поршня вниз вытесняется через нагнетательный клапан 2 в напорный трубопровод. Клапаны 1 и 2 самодействующие, обычно шарикового типа [2, 3].
Рис. 6.5. Схемы скважинных агрегатов одностороннего, двустороннего и дифференциального действия (слева-направо).
Полость 5 соединена с затрубным пространством с помощью отверстия, и при перемещении поршня вверх и вниз жидкость может свободно циркулировать. В агрегатах двустороннего действия при перемещении поршня насоса вверх пластовая жидкость попадает через клапан 1 в полость и вытесняется из полости 5 через клапан 2. При ходе поршня вниз пластовая жидкость вытесняется из полости 6 через клапан 2 и поступает в полость 5 через клапан 1. Таким образом, при каждом ходе поршня жидкость подается в напорный трубопровод. В агрегатах с насосом дифференциального действия поршень насоса выполнен сквозным с расположенным в нем нагнетательным клапаном 2. При ходе поршня вниз всасывающий клапан 1 закрыт, из полостей 5 и 6 в напорный трубопровод вытесняется объем жидкости, равный объему штока, находящегося в полостях, при ходе поршня вверх нагнетательный клапан 2 закрыт, а всасывающий 1 открыт. В результате пластовая жидкость вытесняется из полости 5 в напорный трубопровод и поступает в полость 6 [2, 3]. В нижней части труб устанавливается специальное седло, а на устье — ловитель и специальная обвязка, позволяющая изменять направления потоков в колоннах насосно-компрессор-ных труб. Для спуска агрегата колонны труб заполняются жидкостью, после чего спускается агрегат, который под действием потока жидкости, подаваемой силовым насосом, опускается, устанавливается на седле и фиксируется замком. После его установки поток жидкости начинает проходить через агрегат, и последний откачивает пластовую жидкость. Время спуска агрегата на седло, момент его установки и начало работы контролируются по показаниям манометра, установленного на нагнетательном патрубке силового насоса. Для подъема агрегата направление потоков жидкости в колоннах труб изменяется на противоположное посредством переключения четырехходового крана. При этом давление жидкости, действующее на агрегат снизу, создает усилие, направленное вверх, которое извлекает агрегат из замка и перемещает его вверх к устью скважины. Агрегат после достижения им устья захватывается специальным ловителем. При этом силовой насос, подающий рабочую жидкость, автоматически отключается, и операция заканчивается. Момент выпрессовки агрегата из замка и время подъема его на поверхность контролируются манометром. Помимо перечисленных отличительных признаков установки отличаются конструктивным исполнением и взаимным расположением каналов для подвода и отвода жидкости от ГПНА. В качестве каналов могут использоваться специальные колонны НКТ либо внутренняя полость эксплуатационной колонны, а относительно друг друга колонны могут располагаться концентрично или же параллельно. В зависимости от типа гидравлической схемы установки и типа применяемого ГПНА конструкции нижней части внутрискважинного оборудования могут быть различными. При использовании открытой гидравлической схемы применяют следующие варианты конструкций (рис. 6.6). Рис. 6.6. Оборудования скважин ГПНУ с открытой схемой циркуляции рабочей жидкости
Фиксированный ГПНА с двумя концентрично расположенными колоннами труб (рис. 6.6, а). В этом случае ГПНА 4 спускается на центральной колонне труб 1 а его нижняя часть с уплотнением устанавливается на опорном конусе 5, который укреплен на колонне НКТ 2 большого диаметра. Рабочая жидкость подводится к гидродвигателю по центральной колонне НКТ 1, а пластовая жидкость в смеси с рабочей отводится по концентричному каналу, образованному колоннами НКТ 1 и 2. Фиксированный ГПНА (рис. 6.6, б) с одной колонной НКТ. ГПНА опускается на колонне НКТ 1 и устанавливается нижней частью на пакере 6, расположенном в эксплуатационной колонне 3. Как и в предыдущей схеме, рабочая жидкость подводится по центральной НКТ 1, а поднимается по кольцевому каналу между НКТ 1 и эксплуатационной колонной 3. Свободный ГПНА с двумя параллельными колоннами НКТ (рис. 6.6, в). Агрегат Испускается в скважину по НКТ большого диаметра 1, по которой к нему подводится рабочая жидкость и в нижней части которой установлены седло с замком и обратный клапан 10. Параллельная колонна труб 2 служит для подъема смеси пластовой и рабочей жидкостей. Свободный ГПНА с одной колонной НКТ (рис. 6.6, г). Агрегат 8располагается в колонне НКТ 1, в нижней части 9которой установлены седло с замком и обратный клапан 10. Хвостовик колонны фиксируется в отверстии пакера 7, установленного в жсплуатационной колонне 3. Потоки жидкостей аналогичны потокам схемы (рис. 6.6, б). При подъеме свободного агрегата в схеме поток жидкости в канале, служащем для подъема пластовой жидкости, изменяется на противоположный, обратный клапан 10 закрывается, и агрегат перемещается вверх. Мощность привода которых в большинстве случаев составляет от 14 до 300 кВт. Для подбора агрегата, соответствующего требуемому режиму эксплуатации скважины, выпускаются насосы многих типоразмеров, причем каждый из них имеет наборы плунжеров с уплотнениями различных диаметров (от 30 до 95 мм), позволяющими ступенчато изменять подачу насосов (от 130 до 1700 л/мин) и обеспечивать максимальное давление до 35, 0 МПа. Число ходов плунжеров составляет 300—450 в минуту. Для уменьшения числа оборотов вала насоса применяются понижающие редукторы. Наибольшее число типоразмеров оборудования, в том числе более 70 типоразмеров гидропоршневых насосов, представляет фирма Kobe. В табл. 6.1 приведены характеристики некоторых гидропоршневых насосных агрегатов этой фирмы. Таблица 6.1 |
Последнее изменение этой страницы: 2017-04-12; Просмотров: 524; Нарушение авторского права страницы