Файл: 1 Область применения штанговых скважинных насосных установок 5.docx

Содержание

Введение

Историю нефтедобывающей промышленности России и СССР условно можно разделить на следующие этапы. Первый этап – с 1863 по 1920-е годы, в этот период добыча нефти в России связана, в основном, с полуостровом Апшерон и Северным Кавказом, хотя бурение на нефть ведется и в других регионах России. Этап характеризуется неравномерным развитием. Преобладает ударное бурение, а добыча, в основном, желонкой. Но уже в этот период появляются работы, заложившие фундамент современного состояния отрасли. Революционным шагом явилась и замена паровой машины электродвигателем.

Второй этап – с 1921 по 1950-е годы, данный этап истории развития отечественной нефтяной промышленности является плановым. В этот период совершенствуется бурение скважин, а также создается новая техника для эксплуатации. Этап характеризуется организацией высших учебных заведений нефтегазового профиля, а также созданием сети научно-исследовательских и проектных институтов, что дало мощный толчок развитию нефтегазовой отрасли. Существенное влияние на освоение новых нефтяных регионов, в частности, Урало-Поволжья, оказал XVII съезд партии, который принял программу развития этого важнейшего для страны нефтяного района. Ударное бурение заменяется роторным, а затем и турбинным. Разрабатываются новые способы породоразрушения: электробур, взрывное бурение. Освоено производство штанговых глубинных насосов, другого оборудования для добычи нефти.

Третий этап – с 1951 по 1990-е годы, характеризуется мощным развитием нефтегазового комплекса страны, в результате чего СССР восстанавливает позицию крупнейшей в мире нефтедобывающей державы. В целом, этап характеризуется автоматизацией и диспетчеризацией объектов добычи и подготовки нефти, широким промышленным использованием последних достижений нефтяной науки в виде различных систем искусственного регулирования процесса выработки запасов, таких, как: поддержание пластового давления заводнением; различные технологии увеличения нефтеотдачи пластов, связанные как с воздействием в целом на залежь, так и на призабойные зоны скважин. Широко применяются современные технологии, материалы и

---

оборудование на всех стадиях поисков, разведки и разработки месторождений. Современная вычислительная техника расширила возможности поиска рациональных решений сложнейших задач нефтегазового комплекса. В этот период освоен мощный нефтегазовый регион страны – Западная Сибирь.

Четвертый этап – с 1991 года по настоящее время, объективно этап характеризуется акционированием в значительной степени нефтяного комплекса страны, падением годовой добычи нефти, значительным фондом простаивающих эксплуатационных скважин, коммерциализацией научных учреждений нефтяного комплекса и существенным снижением доли фундаментальных научных исследований вследствие практически полного прекращения их финансирования.

1 Область применения штанговых скважинных насосных установок

Две трети фонда (66 %) действующих скважин стран СНГ (примерно 16,3 % всего объема добычи нефти) эксплуатируются ШСНУ. Дебит скважин составляет от десятков килограммов в сутки до нескольких тонн. Насосы спускают на глубину от нескольких десятков метров до 3000 м, а в отдельных скважинах на 3200-3400 м. ШСНУ включает:

1. 
   Наземное оборудование: станок-качалка (СК), оборудование устья.
   
2. 
   Подземное оборудование: насосно-компрессорные трубы (НКТ), насосные штанги (НШ), штанговый скважинный насос (ШСН) и различные защитные устройства, улучшающие работу установки в осложненных условиях.
   

Отличительная особенность ШСНУ состоит в том, что в скважине устанавливают плунжерный (поршневой) насос, который приводится в действие поверхностным приводом посредством колонны. Штанговые скважинные насосы ШСН обеспечивают откачку из скважин жидкости, обводненностью до 99%, абсолютной вязкостью до 100 мПа·с, содержанием твердых механических примесей до 0,5%, свободного газа на приеме до 25%, объемным содержанием сероводорода до 0,1%, минерализацией воды до 10 г/л и температурой до 130 °С. По способу крепления к колонне НКТ различают вставные (НСВ) и невставные (НСН) скважинные насосы. У невставных (трубных) насосов цилиндр с седлом всасывающего клапана опускают в скважину на НКТ. Плунжер с нагнетательным и всасывающим клапаном опускают в скважину на штангах и вводят внутрь цилиндра. Плунжер с помощью специального штока соединен с шариком всасывающего клапана.

Недостаток НСН – сложность его сборки в скважине, сложность и длительность извлечения насоса на поверхность для устранения какой-либо неисправности. Вставные насосы целиком собирают на поверхности земли и опускают в скважину внутрь НКТ на штангах. НСВ состоит из трех основных узлов: цилиндра, плунжера и замковой опоры цилиндра. В трубных же насосах для извлечения цилиндра из скважины необходим подъем всего оборудования (штанг с клапанами, плунжером и НКТ). В этом коренное отличие между НСН и НСВ. При использовании вставных насосов в 2-2,5 раза ускоряются спуско-подъемные операции при ремонте скважин и существенно облегчается труд рабочих. Однако подача вставного насоса при трубах данного диаметра всегда меньше подачи невставного.

---

Простое в конструктивном отношении устройство, разработанное и освоенное в начале 20-х годов, стало самым распространенным способом добычи нефти как у нас, так и за рубежом. Оборудование для эксплуатации скважин этим способом включает (рис. 1): штанговый глубинный насос 19, систему насосно-компрессорных труб 17 и штанг 18, на которых насос подвешивается в скважине, приводную часть индивидуальной штанговой установки балансирного типа, состоящую из станка-качалки и электродвигателя 3, устьевое оборудование скважины 15, предназначенное для подвески насосных труб и герметизации устья, приспособления 13 и 14 для подвески насосных штанг к головке балансира станка-качалки.

В скважину на колонне НКТ под уровень жидкости спускают цилиндр насоса 24, в нижней части которого установлен приемный клапан 27, открывающийся только вверх. Затем на насосных штангах внутрь НКТ спускают поршень 25, называемый плунжером, который устанавливают в цилиндр насоса.

Плунжер имеет один или два клапана, открывающиеся только вверх, называемые выкидными 26 или нагнетательными. Верхний конец штанг прикрепляют к головке переднего плеча балансира станка-качалки. Для направления жидкости из НКТ в выкидную линию и предотвращения ее разлива на устье скважины устанавливают тройник и выше него сальник 21, через который пропускается сальниковый шток 14.



Рисунок 1 – Штанговая глубинно-насосная установка: I – устьевое оборудование; II – подвеска труб и штанг; III – глубинный насос; IV – газовый или песочный якорь; 1 – фундамент; 2 – рама; 3 – электродвигатель; 4 – редуктор; 5 – кривошип; 6 – груз; 7 – шатун; 8 – груз балансира; 9 – стойка; 10 – балансир; 10 – механизм фиксации головки балансира; 12 – головка балансира; 13 – канатная подвеска; 14 – сальниковый шток; 15 – оборудование устья скважины; 16 – обсадная колонна; 17 – насосно-компрессорные трубы; 18 – колонна штанг; 19 – глубинный насос; 20 – газовый якорь; 21 – сальник устьевой; 22 – муфта трубная; 23 – муфта штанговая; 24 – цилиндр насоса; 25 – плунжер насоса; 26 – нагнетательный (выкидной) клапан; 27 – всасывающий (приемный) клапан

Скважинный насос приводится в действие от станка-качалки, в котором вращательное движение, получаемое от двигателя при помощи редуктора 4, кривошипно-шатунного механизма и балансира 10, преобразуется в возвратно-поступательное движение, передаваемое плунжеру скважинного насоса.

---

Различные по принципу действия и конструкции глубиннонасосные установки получили широкое распространение не только для добычи нефти, но и для эксплуатации водяных, гидротермальных и других скважин. Многообразие глубиннонасосных установок требует их классификации.

Можно выделить следующие основные признаки классификации глубиннонасосных установок:

1. 
   По принципу действия глубинного насоса:
   

• 
  плунжерные (поршневые),
  
• 
  центробежные,
  
• 
  винтовые,
  
• 
  струйные,
  
• 
  вибрационные (звуковые),
  
• 
  диафрагменные,
  
• 
  роторно-поршневые и др.
  

2. 
   По типу передачи энергии глубинному насосу от приводного двигателя:
   

• 
  штанговые,
  
• 
  бесштанговые.
  

Скважинные штанговые насосные установки делятся на:

• 
  балансирные,
  
• 
  безбалансирные.
  

А по типу используемого привода на:

• 
  механические,
  
• 
  гидравлические,
  
• 
  пневматические.
  

Бесштанговые глубиннонасосные установки делятся по типу используемого привода и его местоположению:

• 
  с электроприводом,
  
• 
  с гидроприводом,
  
• 
  с приводом, расположенным на поверхности,
  
• 
  с приводом, расположенным в скважине.
  

3. 
   По назначению подачи:
   

• 
  для эксплуатации низкодебитных скважин,
  
• 
  для эксплуатации среднедебитных скважин,
  
• 
  для эксплуатации высокодебитных скважин высота подъема (напор)
  
• 
  для эксплуатации неглубоких скважин,
  
• 
  для эксплуатации скважин средней глубины,
  
• 
  для эксплуатации глубоких скважин.
  

В мировой практике нефтедобычи получили распространение следующие глубиннонасосные установки:

1. 
   Скважинные щтанговые насосные установки (СШНУ).
   
2. 
   Установки погружных центробежных насосов с электроприводом (УЭЦН).
   
3. 
   Установки гидравлических порщневых насосов (УГПН).
   
4. 
   Установки с винтовыми насосами и электроприводом (УЭВН).
   
5. 
   Установки с диафрагменными насосами и электроприводом (УЭДН).
   
6. 
   Установки со струйными насосами (УСН).
   

Не все из перечисленных глубиннонасосных установок играют одинаковую роль в добыче нефти.

В нашей стране наибольшее распространение по фонду добывающих скважин получили СШНУ, а по объему добычи – УЭЦН. Это связано с тем, что установки СШНУ предназначены для эксплуатации низко- и среднедебитных скважин, а установки УЭЦН – для эксплуатации средне- и высокодебитных скважин. Остальные установки (УГПН, УЭВН, УЭДН, УСН) ни по фонду добывающих скважин, ни по добыче нефти не могут пока конкурировать с СШНУ и УЭЦН и предназначены для определенных категорий скважин.

---

Остановимся вкратце на делении скважин на низко-, средне- и высокодебитные. Классификация скважин по дебиту связана, в основном, с высотой подъема жидкости, т.к. с ростом высоты подъема жидкости возможная подача большинства глубиннонасосных установок достаточно быстро снижается (а, следовательно, и снижается возможный дебит скважины, который определяется в данном случае возможной подачей насосной установки).

По высоте подъема жидкости все скважины условно могут быть разделены на следующие категории:

1. 
   Неглубокие – при высоте подъема до 450 м.
   
2. 
   Средней глубины – при высоте подъема жидкости от 450 до 1350 м.
   
3. 
   Глубокие – при высоте подъема более 1350 м.
   

2 Принцип действия ШСНУ

Для приведения в движение плунжера глубинного насоса над устьем скважины устанавливают специальный шатунно-кривошипный механизм, называемый станком-качалкой, который служит для преобразования вращательного движения вала электродвигателя в возвратно-поступательное прямолинейное движение колонны насосных штанг через канатную подвеску, полированный шток и колонну штанг. Схематически работа глубиннонасосной штанговой установки представлена на рисунке 2.

При ходе плунжера вверх действием давления столба жидкости, находящейся в колонне насосно-компрессорных труб (НКТ), нагнетательный клапан закрывается, столб жидкости выше плунжера поднимается по НКТ, а часть поступает в выкидную линию. При этом под давлением столба жидкости, находящейся в затрубном пространстве между НКТ и обсадной колонной, всасывающий клапан открывается и жидкость заполняет цилиндр насоса.



Рисунок 2 – Схема работы глубинного насоса: а – ход плунжера вверх; б – ход плунжера вниз

При ходе плунжера вниз под действием веса столба жидкости в цилиндре и собственного веса всасывающий клапан закрывается. По мере движения плунжера вниз давление в цилиндре возрастает; когда оно становится выше давления столба жидкости, находящейся в НКТ, нагнетательный клапан открывается и жидкость из цилиндра перетекает в насосно-компрессорные трубы.

Следует отметить, что при ходе плунжера вниз также может наблюдаться подача жидкости в выкидную линию, обусловленная погружением полированного штока в жидкость.

---