Как применяются штанговые скважинные насосы в сфере нефтедобычи?

Обзор существующих вариантов

Опираясь на достоинства и недостатки всех типов моделей ручных насосов, можно выбрать готовое оборудование в магазине или сделать подобную конструкцию своими руками.

Готовые модели

Среди готовых вариантов популярны несколько моделей.

• Скважинный ручной насос НР-3М. Сделана такая модель из ударопрочных полимеров, также в нем присутствуют детали из резины и загрунтованной стали. За полный цикл устройство производит 1500 мл жидкости. Глубина скважины для такого насоса может быть от двух до пяти метров (в последнем случае необходимо установить на нижнем конце обратный клапан). Масса прибора – 4600 грамм, а его стоимость – всего 2500 рублей.
• Насосная конструкция РН-01 НЖ. Его корпус сделан из нержавейки, другие детали из латуни, а также грунтованной и окрашенной стали. Глубина скважины может быть от 6 до 9 метров. Производительность за цикл равна 1000 мл. Прибор весит 8 кг и стоит 6500 рублей.
• Особая разновидность – чугунный насос типа BSD. Он имеет открытую конструкцию излива, сделанную в виде желоба. Допустимая глубина скважины – от 6 до 9 метров. За один цикл насос прогоняет 500 мл воды. Его масса равна 7 кг, а стоимость – 3200 рублей.

Кустарное изготовление: способы

Существует ряд кустарных техник, которые позволят вам изготовить самодельный ручной насос. Чтобы любой из способов можно было осуществить грамотно, рекомендуется заранее составлять чертежи для будущей конструкции. Выделяют несколько методов кустарного производства.

Первый вариант

Изделие для прокачки скважины изготавливается из обсадной трубы и используется в качестве запасного варианта при отключении электричества. Чтобы нарезать металлические детали, следует использовать болгарку, также понадобится дрель, чтобы просверлить отверстия под крепежи. Металлическая деталь для каркаса должна иметь цилиндрическую форму, например, подойдет часть осадочной трубы.

Данный тип работ может выполняться только теми, кто имеет опыт в проведении сварочных работ.

Конструкция, помимо осадочной трубы, должна быть оснащена следующими элементами:

• нижняя крышка;
• два обратных клапана на патрубках;
• прокладка-уплотнитель из резины;
• поршень, закрепленный на штоке;
• крышка круглой формы (для цилиндра);
• рычаг из металла, сопряженный с крышкой;
• соединительные шпильки из металла.

Второй вариант

Возможно создание насоса с применением использованного огнетушителя в качестве насосной емкости. Такой прибор будет незаменим для очистки скважины от грязной воды и может устанавливаться на довольно большую глубину – до 15 метров.

Чтобы изготовить устройство, также необходимо использовать сварочный аппарат и инструмент для резки металла. Используя огнетушитель в качестве корпуса и другие запчасти, необходимо соорудить конструкцию со всеми элементами:

• специальной станиной, чтобы устанавливать насос в грунт;
• патрубком (наверху корпуса);

• сгоном на излив для подачи воды;
• сгоном на забор воды;
• ручкой, с помощью которой перетаскивают конструкцию;
• специальным уплотнителем, расположенным между корпусом и станиной;
• штоком, на который крепится корпус.

ПОДГОТОВКА К ОПИ

Непосредственно перед переводом ШГН на эксплуатацию с помощью линейного привода в целях последующей оценки технологии был проведен комплекс исследований, включая снятие динамограммы работы насоса с использованием накладного датчика, выполнение комплекса замеров дебита жидкости на АГЗУ и определение динамического уровня жидкости в скважине посредством эхолотирования. Помимо этого, был выполнен анализ обводненности продукции по устьевым пробам и замер потребления электроэнергии с использованием анализатора количества и показателей качества энергии AR.5.

Рис. 3. Система контроля и мониторинга GMC

В процессе испытаний работа установки контролировалась по показаниям СУ LRP и в большей степени удаленно через систему GMC (рис. 3). Так, например, удаленно было выполнено динамометрирование с получением ваттметрограмм, были измерены нагрузки на полированный шток, уровень над приемом насоса и т.п.

Система GMC позволяет контролировать параметры как в виде отчета в определенный момент времени, так и в виде трендов в динамике. Потребление электроэнергии замерялось инструментально с использованием прибора AR.5 непосредственно после перевода скважины на LRP и смены насоса с НН-44 на НН-57 после ГТМ.

Рис. 4. Монтаж УШГН с ЛП на скважине

Затраты времени на шефмонтаж LRP, включавший первичный сбор узлов, заливку масла в редуктор и реечный механизм, наладку и запуск в работу, составили всего четыре часа (рис. 4). При монтаже использовался автокран. При смене насоса демонтаж и повторный монтаж LRP выполнялись монтажным звеном цеха добычи. При этом бригада из трех человек произвела монтаж и запуск оборудования всего за 35 минут

В ходе выполнения этого этапа работ было отмечено очень важное преимущество демонтажа LRP: привод может быть демонтирован и установлен на настил в вертикальном положении: в этом случае нет необходимости производить слив масла из реечного механизма. Если же привод будет укладываться в горизонтальное положение, то необходимо будет произвести слив масла из реечного механизма и повторную заливку перед монтажом LRP

Слив и повторный залив масла в редуктор по причине его полной герметичности производить не требуется.

Насос вставной с верхним механическим креплением (по 11AX-API)

Штанговая скважинная насосная установка

Штанговая скважинная насосная установка ( ШСНУ) получает энергию через колонну штанг, совершающую возвратно-поступательное движение, вызываемое работой станка-качалки. Привод электропогружеых центробежных и винтовых насосов осуществляется электрическим током, который подается по кабелю с дневной поверхности. Энергия может передаваться за счет периодического сжатия жидкости, как это происходит при эксплуатации скважин гидропоршневыми насосами.
 

Штанговые скважинные насосные установки широко используются для добычи нефъи из скважин, что объясняется их простотой и эффективностью. Достаточно сказать, что свыше 70 % действующего фонда скважин оснащены ШСНУ, причем имеется тенденция к увеличению абсолютного их числа. Вое это предъявляет большие требования к надежности оборудования.
 

Блок-схема штанговой скважинной насосной установки ( ШСНУ) приведена на рис. 1.14. Установка состоит из привода, насосных штанг, глубинного насоса, вспомогательного подземного оборудования, насосно-компрессорных труб.
 

Недостатком штанговых скважинных насосных установок ( ШСНУ) и установок погружных центробежных электронасосов ( УЭЦН) является сложность в обслуживании, неустойчивость в работе при добыче жидкости с высоким содержанием механических примесей и газа, а также низкая степень надежности при работе в кустовых скважинах.
 

Электродвигатели штанговых скважинных насосных установок снабжаются защитой от многофазных замыканий, от сверхтоков перегрузки и защитой минимального напряжения.
 

В гидроприводных штанговых скважинных насосных установках ( ШСНУ) уплотнения работают со скоростями перемещения, достигающими 2 м / с при наличии значительных инерционных нагрузок, обусловленных массой жидкости, колонн штанг и труб, а давление в гидросистеме составляет 16 — 20 МПа.
 

Правильно сконструированная штанговая скважинная насосная установка должна обеспечивать подъем необходимого количества жидкости с заданной глубины.
 

Замена механического привода штанговых скважинных насосных установок гидроприводом позволяет обеспечить резкое увеличение длины хода штангового насоса, улучшить характеристику закона движения блока подвеса штанг и уменьшить металлоемкость и массу приводной части ШСНУ.
 

Одним из главных недостатков штанговой скважинной насосной установки является циклический характер ее работы с малым периодом цикла и большой асимметричностью нагрузок при высоком верхнем пределе. Циклическим воздействием подвергаются все элементы установки — от двигателя до приемного клапана глубинного насоса.
 

Одним из главных недостатков штанговой скважинной насосной установки является циклический характер ее работы с малым периодом цикла и большой асимметричностью нагрузок при высоком верхнем пределе. Циклическим воздействиям подвергаются все элементы установки от двигателя до приемного клапана глубинного насоса. Интенсивность накопления усталостных явлений з элементах штанговой установки составляет 7 200 — 21 600 циклов в сутки.
 

Лабораторные эксперименты для модели штанговой скважинной насосной установки были проведены также в Уфимском нефтяном институте исследователями , которые также подтвердили наличие спиралеобразной формы изгиба низа колонны НКТ при ходе вверх. Экспериментально были объяснены причины слома клеток плунжера, вследствие нагружения изгибающим моментом из-за потери устойчивости труб НКТ над насосом. Было показано, что причиной обрыва проволоки при спуске приборов в затрубное пространство является его запутывание в витках спирали НКТ в нижней части подвески.
 

В осложненных условиях эксплуатации эффективность работы штанговых скважинных насосных установок, которыми оснащены свыше 70 % всего фонда скважин и практически 100 % фонда малодебитных, низка и не обеспечивает рентабельности.
 

Разработан регулируемый энергосберегающий приводной комплекс для штанговых скважинных насосных установок, позволяющий регулировать подачу насоса по условиям добычных возможностей скважины.
 

Найденные выше параметры позволяют рассчитать рабочие параметры штанговой скважинной насосной установки.
 

Разновидности устьевого оборудования

Устьевой шток, представляющий собой особую штангу, необходим для соединения колонны штанг с канатной подвеской. Он имеет полированную поверхность, выпускается без головок с типом резьбы, который предусматривает стандарт. Чтобы защитить полированный шток от коррозии осуществляется окрашивание, цинкование, ингибирование. Функции, выполняемые устьевым оборудованием НС, являются следующими:

• обеспечение герметизации затрубного пространства;
• отвод скважинной продукции;
• подвешивание НКТ.

Насосная установка оснащается устьевым оборудованием, включающим:

1. Устьевой сальник. Обеспечивает герметизацию выхода устьевого штока за счет сальниковой головки.
2. Тройник. Ввинчивается в муфту НКТ, он необходим для отвода скважинной продукции.
3. Крестовина. Позволяет подвесить колонну НКТ на конусе, чтобы правильно расположить ее относительно скважинной оси.
4. Запорные краны, а также обратные клапаны.

Для самоустановки сальниковой головки предусмотрено шаровое соединение. Это обеспечивается при несоосности сальникового штока и НКТ, у которых отсутствует совпадение осей

Это важно для исключения износа уплотнительной набивки и облегчения смены специальной набивки. Наличие крестовины позволяет опускать приборы в затрубное пространство посредством устьевого патрубка, имеющего задвижку

Штанговые глубинные насосы: конструкция, принцип работы, разновидности

Штанговое глубинное гидрооборудование используется для того, чтобы обслуживать очень глубокие скважины.

Примером отрасли, в которой достаточно широко распространено применение такого гидрооборудования, является нефтедобывающая промышленность. Именно штанговые глубинные насосы зачастую применяются для откачивания нефти.

Конструкция и принцип работы штанговых глубинных насосов

1. Особого цилиндрического корпуса, внутри которого находится плунжер.
2. Специального нагнетательного клапана.
3. Всасывающего клапана.
4. Насосных штанг, соединенных между собой специальным устройством.

Принцип работы штанговых глубинных насосов весьма прост. С помощью плунжера, который создает определенное разрежение давления, происходит всасывание жидкости.

С началом движения этого устройства вниз жидкость начинает поступать в систему с помощью подъемных труб. Если идет безостановочная работа глубинного оборудования, жидкость заполняет все подъемные трубы и только затем поступает в систему на поверхности.

Типы штангового глубинного оборудования

Конструктивное исполнение позволяет разделить глубинное насосное оборудование такого типа на несколько разновидностей:

1. Вставные штанговые насосы. Такие насосы погружаются в шахту источника и извлекаются из нее только в собранном виде. Подобное оборудование обслуживает скважины большой глубины с очень небольшим дебитом откачиваемой жидкости. Осуществление ремонтных работ штанговых насосов данного типа не вызывает затруднений, что также выступает в качестве их преимущества. Вставные штанговые насосы также можно условно разделить на 2 вида в зависимости от места расположения замка: снизу или сверху.
2. Невставные штанговые насосы. Установка данного насосного оборудования требует выполнения сложных действий. Погружение и извлечение невставного штангового насоса осуществляется в 2 этапа. Такое оборудование также разделяется на несколько типов:

• насосная установка без специального ловителя;
• невставной глубинный насос с захватным штоком;
• невставной глубинный насос с ловителем.

Помимо различий в конструкции штанговые глубинные насосы могут иметь весьма большую разницу в размерах, обусловленную спецификой применения устройства и требований к нему.

Также существует возможность изготовления штанговых глубинных насосов по специальному заказу, что позволяет создать устройство, обеспечивающее возможность работы в особых условиях.

• Невставное насосное оборудование с ловителем имеет большую популярность из-за того, что отличается простой конструкцией и высоким уровнем надежности при использовании.
• На выбор насосного штангового оборудования влияют конкретные условия применения, характеристики жидкости.
• Категория штангового насоса и технические характеристики указаны в виде специальной маркировки на изделии, с помощью которой отражены все основные характеристики и параметры устройства.

Детали конструкции

Уровень эффективности и степень работоспособности в ходе применения глубинного насосного оборудования зависят от различных специальных устройств.

В процессе работы глубинного гидрооборудования штанги испытывают очень сильные нагрузки, что диктует особые требования к их производству.

Они должны быть выполнены из высококачественной стали с последующим нормализационным отжигом. Также выполняется закалка ТВЧ. От того, какой установлен плунжер и цилиндр, от расположения якорного башмака зависит категория насосного штангового оборудования.

Плюсы и минусы штанговых насосов

По сравнению с другими типами разнообразного насосного оборудования штанговые насосы обладают определенными преимуществами и недостатками.

Преимущества:

1. Высокая эффективность.
2. Легкость технического обслуживания и проведения ремонтных работ.
3. Можно использовать для работы двигатели разных видов.
4. Можно использовать для обслуживания пескопроявляющих источников, перекачивания нефти, имеющей газовые составляющие.

Недостатки:

1. Невозможность использования в скважинах различной глубины. Возрастает риск обрыва штанг в зависимости от глубины скважины.
2. Невысокий уровень подачи, обеспечиваемый данными насосами.
3. Нельзя использовать для обслуживания различных скважин имеющих большой наклон и высокую степень искривления.
4. Нельзя использовать для обслуживания источников, которые имеют горизонтальный тип.

Выбор подходящего штангового глубинного гидрооборудования зависит от многих факторов и параметров, которые во многом влияют на эффективность и долговечность его применения.

КОМПОНОВКА ШГН-ШГН С ПОЛЫМИ ШТАНГАМИ

В 2012 году в рамках Системы Новых Технологий мы испытали в скважинах ОАО «Удмуртнефть» две компоновки данного типа разных производителей: ОАО «Ижнефтемаш» (совместно с ООО ПКТБ «Техпроект») и ООО «ЭЛКАМ» (рис. 5).

Рис. 5. Компоновка ШГН-ШГН с полыми штангами

В данных компоновках сдвоенный ШГН состоит из последовательно соединенных верхнего и нижнего насосов. Нижний насос отбирает жидкость из пласта, расположенного под пакером, и по полым штангам подает ее на поверхность, после чего жидкость проходит через тройник, кран, гибкий рукав, расходомер, обратный клапан в тройник, объединяющий два потока пластовой жидкости. Верхний насос отбирает жидкость из пласта, расположенного над пакером, и по полости между колоннами полых штанг и НКТ-73 подает ее на поверхность. Пакер предназначен для разобщения нефтяных пластов при добыче. Также данные компоновки оснащены греющими кабельными линиями (ГКЛ), предназначенными для нагрева НКТ в целях предотвращения образования АСПО, и могут быть дополнительно оснащены капиллярными трубками для подачи химических реагентов.

Достоинства и недостатки цепного привода

Модель ПЦ-80х6,1 в нашей стране производится предприятием АО «Ижнефтемаш». Отечественное оборудование создано на основе разработки американского предприятия Weatherford под названием Rotaflex. Конструкция привода оборудована рамой, которая размещена на отдельном основании. В процессе сборки оборудования на раму производится установка следующих деталей:

• электрического двигателя;
• редуктора;
• ременной передачи;
• ведущей и ведомой звездочек;
• каретки с противовесом;
• колонны штанг.

Для соединения элементов используются гибкие звенья непрерывного типа. В нефтедобывающей отрасли широко применяются не только балансирные приводы, которые считаются традиционными, но и безбалансирные, т. е. цепные. Преимущества, которые имеет привод цепной скважинного штангового насоса, могут быть следующими:

1. Размеры безбалансирных приводов и их масса в меньшей степени зависят от длины хода, чем параметры этих элементов станка-качалки балансирного типа.
2. Скорость движения штанг привода цепного меньше по части хода, чем параметр скорости подъема колонны за цикл у станков-качалок балансирного типа в 1,6-1,7 раза.
3. Производительность оборудования увеличивается, а расходы энергии на подъем скважинного продукта сокращаются.
4. Коэффициент использования мощности (КИМ) повышается, поскольку нагрузка электрического двигателя на привод штангового скважинного насоса равномерная.

Нагрузка различных типов, приходящаяся на штанги, снижается в условиях спокойного режима откачки скважинной жидкости на длинном ходу. Перечисленные достоинства позволяют привести в соответствие следующие виды показателей, характеризующих работу оборудования:

• откачка состава, имеющего высокую степень вязкости;
• количество аварийных ситуаций, произошедших со штангами;
• износ труб, включая штанги;
• коэффициент наполнения скважинного насоса;
• длительность срока эксплуатации устьевого сальника и его производительность.

При всей надежности устройства балансирный привод отличается следующими недостатками:

Короткий срок использования редуктора.
Разрушение деталей, входящих в состав преобразующего механизма.
Усложненная перестановка пальцев шатунов.
Высокий уровень трудоемкости движения грузов при достижении их равновесия.
Неуравновешенность масс.
Важность обустройства фундамента под установку, обладающего высокой стоимостью.

Модификация насосов российского производства отличается присоединительными параметрами.

Структура полного обозначения ГШН по API

Cпециальные исполнения всасывающих клапанов трубных насосов

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

Главное преимущество технологии заключается в уникальной мобильности ЛП, что было подтверждено в практических условиях. Интеллектуальный алгоритм контроллера станции управления, основанный на анализе ваттметрограмм, продемонстрировал способность поддерживать режим максимальной подачи насоса в границах технических характеристик подземного и наземного оборудования. Способность станции управления передавать не только текущую информацию, но и историю событий в режиме реального времени позволила оптимизировать процесс закачки химреагента для разрушения эмульсии. Полностью исчезла необходимость в проведении исследования скважины с применением динамографа и эхолота. Немаловажным преимуществом служит и то, что почти все движущиеся механизмы LRP закрыты, что повышает уровень безопасности при эксплуатации данного оборудования.

Однако обнаружились и недостатки ЛП. Основным из них, и довольно серьезным стала малая длина хода привода, по причине которой приходилось переходить на режимы с повышенным числом качаний или применять плунжер с увеличенным диаметром. Такие режимы эксплуатации ШГН значительно повышают усталостные нагрузки на штанги, что увеличивает вероятность их обрыва и снижает ресурс эксплуатации. В свою очередь увеличение числа двойных ходов штока при эксплуатации наклонных скважин привело бы к увеличению износа штанг и НКТ и, соответственно, к повышению частоты отказов оборудования. Как показал вышеописанный пример испытаний LRP, увеличение числа двойных ходов штока осложняет эксплуатацию и скважин, осложненных образованием эмульсий. Следует отметить, что конструкторы компании-производителя UNICO хорошо понимают проблемы, связанные с конструктивными недостатками LRP, и по итогам ОПИ приступили к разработке привода большей длиной хода, что должно сделать данное оборудование более конкурентоспособным.

Безусловно, руководствуясь результатами работы одной установки в течение шести месяцев, было бы неправильно делать вывод о необходимости повсеместного тиражирования технологии. Но основываясь на том, что в течение этого времени удалось достичь всех поставленных целей и оценить неоспоримые преимущества LRP на реальном месторождении, а также, учитывая успешный опыт эксплуатации ЛП за рубежом (в чем имели возможность убедиться специалисты компании), очевидна целесообразность тиражирования данной технологии. Возможно, на первом этапе в ограниченном объеме.

Областью применения для данного оборудования могли бы стать скважины с нестабильным или снижающимся притоком (после ГТМ), скважины в пробной эксплуатации, в отношении которых необходимо оценить целесообразность обустройства; месторождения в труднодоступной местности, куда затруднена доставка грузов (вес LRP – 1,7 т); низкодебитные скважины, осложненные мехпримесями; скважины часто-ремонтируемого фонда.

Процесс испытания проходил под постоянным контролем представителей фирмы-производителя и компании-поставщика. Стало очевидным, что данное оборудование нуждается в контроле высококвалифицированного персонала, в большей части это касается настроек станции управления. Подавляющее число манипуляций с установкой представители фирмы выполняли дистанционно из других регионов и даже государств в любое время суток.