Курс лекций по "Нефтедобыче"

Назначение балансировки становится понятным, если рассмотреть движение колонны насосных штанг и качалки на примере идеализированной работы насоса, изображенного на рис. 10.13. В этом упрощенном случае нагрузка на устьевой сальниковый шток при движении вверх состоит из веса штанг плюс вес скважинных флюидов. При обратном ходе это только вес штанг. Без какой-либо балансировки нагрузка на шестеренчатый редуктор и первичный двигатель во время движения вверх направлены в одну сторону. При движении вниз нагрузка направлена в противоположную сторону. Такой тип нагрузки весьма нежелателен. Он вызывает ненужный износ, срабатывание и перерасход топлива (энергии). На практике используется противовес, равный весу колонны насосных штанг плюс примерно половина веса поднимаемой жидкости. Правильный подбор противовеса создает наименьшие возможные нагрузки на редуктор и первичный двигатель, уменьшает поломки и простои и снижает требования к топливу или энергии. По оценкам, до 25% всех качалок, находящихся в эксплуатации, не сбалансированы должным образом.

 

         Другие возвратно-поступательные насосы

 

Качалки используются более  чем на 99% всех скважин, оборудованных штанговыми насосами, тем не менее существует ряд других установок для штанговых насосов, имеющих ограниченное применение. Теоретически в данном случае пригодно любое устройство, обеспечивающее движение колонны насосных штанг вверх и вниз. Гидравлические и пневматические насосные установки с гидравлическими и пневматическими цилиндрами высокого давления, приводящие в движение колонны насосных штанг, применяются примерно с 1900 г.

 

                Пневматические установки

 

В случае пневматических установок один или более цилиндров помещаются над устьем скважины и монтируется балансировочная система, использующая сжатый воздух или газ (рис. 10.18). В такой системе сжатый газ воздействует на нижнюю часть поршней внутренних рабочих цилиндров при движении вверх. Газ низкого давления над поршнями выбрасывается в газопровод товарного газа. При движении вниз сжатый газ действует на верхнюю часть поршней, а газ низкого давления под поршнями выталкивается в газопровод товарного газа. Из буферной емкости балансира сжатый газ поступает в два пневмобалансира, компенсирующих вес колонных насосных штанг и половину веса скважинных флюидов, так же как и в качалке. Верхняя часть пневмобалансиров открыта в атмосферу. Давление на рабочий поршень в верхней и нижней точках рабочего хода меняется с помощью золотника, управляемого реверсивным штоком, присоединенным к оснастке штока поршня. Такие установки успешно применяются для откачки воды из газовых скважин, где давление в устье скважины существенно превышает давление в товарном газопроводе, что обеспечивает энергию для работы установки. Таким образом, эти установки работают без затрат на энергию, поскольку в качестве источника энергии они используют перепад давления между головкой обсадной колонны и газопроводом товарного газа.

 

 

                 Гидравлические установки

 

В конце 1940-х годов  применялись гидравлические штанговые  насосные установки с рабочим ходом более 6 м (рис. 10.19). По сравнению с тремя метрами максимального рабочего хода качалок того времени эти установки обеспечивали более плавную работу, более редкую смену штанг и более высокую степень сжатия для сокращения числа газовых пробок. Однако начальные капиталовложения были велики, и теперь, когда доступны качалки с ходом 7,5 м, гидравлические штанговые насосы с большим рабочим ходом используются очень редко.

 

       Насосы с воротом и колесным домкратом

 

Ограниченно применялись  и многие другие конструкции штанговых насосов. Насосная установка с тросами и воротом (рис. 10.20) позволяет добиться длины рабочего хода 12—24 м, что снижает динамические нагрузки, необходимость смены штанг, возникновение газовых пробок и энергопотребление. Это устройство может применяться при глубоком погружении насоса. Колесный домкрат, напротив, применяется только для добычи с небольшой глубины.

Невзирая на многообразие штанговых насосных установок, качалкам отдано предпочтение благодаря их надежности, простоте, гибкости и известности. Хотя принцип работы остался тем же, что и у самых ранних насосных установок, современная качалка благодаря техническому прогрессу становится все более эффективной частью монтажа добывающего оборудования.

 

                       Достоинства и недостатки

 

                                   Достоинства

Штанговый насос используется достаточно часто и хорошо знаком большей части персонала, занятого эксплуатацией и техническим обслуживанием. Он может применяться в широком диапазоне производительностей и на ограниченных скоростях и при ограниченных глубинах извлекать продукт из скважины вплоть до ее истощения. Штанговые насосы высоконадежны и легко поддаются диагностике с помощью ряда различных приемов: осмотра, динамометрии и зондирования скважины.

Данный метод позволяет  добывать высокотемпературные или  высоковязкие нефти, а проблемы коррозии и образование отложений легко разрешаются. Штанговые насосы приводятся в движение электричеством или топливным газом, причем электропривод легко подстраивается под график подачи газа или периодическую работу. Наконец, цена штангового насоса — дополнительное преимущество для поддержания эксплуатационных расходов на низком уровне.

 

                                 Недостатки

Среди недостатков штанговых насосов следует упомянуть их непригодность для искривленных скважин. Глубина и объем скважин, для которых они могут применяться, ограничены весом штанг и запасом прочности, а высокий газовый фактор скважины либо попадание песка и парафина в скважинные флюиды еще более ухудшают их эффективность.

Определенные физические характеристики установок также  свидетельствуют против их использования. Большие размеры штанговых насосов  загромождают городскую застройку  и мешают работе вращающихся дождевальных машин в сельской местности. Суммарный вес и габариты могут помешать их применению на морских платформах. Для обслуживания внутрискважинного оборудования следует принимать во внимание дополнительное неудобство, связанное с необходимостью использования подъемных устройств.

 

                       Роторные установки

Сравнительно новой  для нефтяной промышленности насосной системой является насос с поступательным движением полости (рис. 10.21). Такой насос состоит из ротора из хромированной стали, выполненного в виде наружной спирали. Статор, в котором вращается ротор, сделан из синтетического эластомера в форме двойной внутренней спирали и наглухо закреплен в стальном кожухе. Вращение вала, находящегося на поверхности, посредством электромотора с вертикальным шпинделем растягивает вал на заданную величину, создавая в нем напряжение, что заставляет полость, содержащую скважинные флюиды, подниматься наверх (рис. 10.22).

Преимущество этой насосной системы перед возвратно-поступательной заключается в том, что она  экономит расходы на энергию, лучше перекачивает вязкие жидкости, легче справляется с жидкостями, несущими песок, а компактные размеры на поверхности делают ее более привлекательной для установки в сельской местности и в городской среде.

Недостатком этой системы  является то, что глубина ее применения не превышает 1200 м из-за недостаточной термостойкости эластомеров, ее производительность ограничена (при сегодняшнем техническом уровне) добычей примерно 400 бар./сут., и она мало известна нефтяникам.

 

                  Гидравлические насосы

 

Добыча гидравлическими насосами — достаточно новый метод по сравнению со штанговыми насосами. Эксплуатация гидравлическими насосами была внедрена в промышленность С. Дж. Коверли (С. I. Соуеггу, СоЬе 1пс.) в начале 1930-х годов. Глубинный насос, используемый в этой системе, аналогичен штанговому насосу, но напрямую соединен с гидравлическим двигателем, который приводится в действие рабочей жидкостью (давление до 5000 р81*, 36 МПа), поступающей с поверхности.

                                Насосы Кобе

Самые первые гидравлические насосы относились к типу вставных насосов. Такой насос вводится в  эксплуатационную насосно-компрессорную колонну на тонкой трубе, по которой под высоким давлением подается рабочая жидкость (рис. 10.23). В этом случае гидравлический насос помещается на дно насосно-компрессорной колонны, так же как вставной штанговый насос. Масло, выпускаемое из гидравлического двигателя, смешивается с добываемыми скважинными флюидами, текущими по насосно-компрессорной колонне. Поскольку гидростатический напор в трубопроводе рабочей жидкости равен гидростатическому напору нефти в эксплуатационной колонне, энергия потребляется только для перекачивания скважинных флюидов и для преодоления трения. Любой выделяющийся газ может быть удален по обсадной колонне и, как и в случае штангового насоса, ниже насоса может быть установлен газовый якорь, который способствует отделению газа. Отбор из скважины ограничен производительностью насоса такой величины, которая позволяет поместить его вместе с двигателем в данную эксплуатационную колонну.

При монтаже в обсадной колонне появляется возможность  применять гидравлические насосы больших  размеров и при данном размере обсадной колонны перекачивать большие объемы (рис. 10.24). При таком монтаже рабочая жидкость и добываемые жидкости всасываются по нагнетательной магистрали в скважинный гидравлический насос и смешиваются с новыми жидкостями из

рз1 — фунт/дюйм2; 1 р$1 = 0,07 атм (кг/см2). — Примеч. ред.  скважины, после чего поступают на поверхность по обсадной колонне.

Недостатком такой конструкции  является то, что добываемый газ  должен проходить через насос  и таким образом обсадная труба  соприкасается с добываемыми  жидкостями. И в случае монтажа  в обсадной колонне, и при монтаже  в насосно-компрессорной колонне нагнетательную магистраль приходится извлекать из скважины для технического обслуживания насосного узла.

В 1950 г. был предложен  гидравлический насосный узел, устраняющий необходимость извлечения нагнетательной магистрали для поднятия насоса. Так называемые установки со свободным насосом спускаются в скважину под действием гидравлического давления, прикладываемого так же, как при работе насоса, а извлекаются посредством изменения направления тока рабочей жидкости (рис. 10.25). Двигатель и насос в этом узле по существу такие же, как в обычном гидравлическом насосе. Тем не менее посадочный ниппель и нижняя уплотнительная пробка различаются и, кроме того, свободный насос снабжен поршнем для улучшения притока в скважину (свабом), оборудованным двумя манжетами в верхней части устройства. Эти манжеты обычно ориентированы так, чтобы создать герметичное уплотнение при извлечении насоса. В некоторых глубоких или искривленных скважинах верхняя манжета развернута обратной стороной для обеспечения уплотнения при извлечении насоса. Сваб снабжен шейкой для захвата ловильным инструментом, чтобы поднять насос на талях, если не удается получить его обычным способом.

 

                         Скважинные насосы

После внедрения насоса Кобе несколько фирм разработали  гидравлические насосы, различающиеся конструктивными особенностями. Все они имеют в своем составе:

   -- насосный поршень, совершающий в цилиндре возвратно-поступательные движения;

--  всасывающий и выкидной насосные клапаны;

  --  поршень двигателя, непосредственно соединенный с поршнем насоса;

  --  реверсивный клапан для обращения направления рабочей жидкости.

В одной из конструкций  установлены насосный поршень одностороннего действия, качающий только при ходе вверх, и один поршень двигателя. Другие конструкции оснащены насосами двойного действия, которые сглаживают потребности в энергии, сдвоенными насосами для увеличения их объема, совместно работающими насосами для увеличения коэффициента сжатия и сдвоенными поршнями двигателя для увеличения мощности. Имеется также набор деталей, позволяющих изменять монтаж внутрискважинного оборудования для приспособления данных узлов к различным состояниям скважин.

 

Переработка на поверхности и насосное оборудование

 

               Гидравлические системы

Открытые системы. Большинство используемых в настоящее время гидравлических насосов имеют открытую гидравлическую систему, использующую добытую сырую нефть в качестве насосно-компрессорной жидкости (рис. 10.28). Для большинства внутрискважинных устройств существуют обвязки устья скважины. Масляный резервуар снабжен компенсатором давления и разделителем потока для уменьшения взбалтывания и улучшения оседания взвешенных частиц. Прием плунжерного гидравлического насоса находится вблизи верхнего уровня нефти в резервуаре, для того чтобы закачивать по возможности чистую нефть. Общепринятые стандарты максимального содержания взвешенных частиц в рабочей жидкости следующие:

суммарное содержание взвешенных частиц — не более 20 ррт (частей на млн);

не более 12 фунт, соли на 1000 бар. нефти (34 г/м3);

отсутствие твердых  частиц размером более 15 микрон (малое  количество).

Замкнутые системы. Если переработка эмульсий затруднительна и нельзя обеспечить чистоту масла в открытой системе, можно прибегнуть к замкнутой системе. В такой системе рециркулируют чистые жидкости — масло или очищенная вода. Замкнутая масляная гидравлическая система требует еще одной дополнительной магистрали внутри скважины по сравнению с аналогичными открытыми установками. Типичные масляные гидравлические системы изображены на рис. 10.29.

 

                         Масляные насосы

Вытеснительные масляные насосы высокого давления, используемые для передачи мощности на гидравлические насосные системы, обычно имеют поршни и вкладыши цилиндров типа металл—металл, которые могут быть откалиброваны так, чтобы соответствовать требованиям системы по объему и давлению. Обычно эти насосы предназначены для подачи рабочей жидкости (масла) к нескольким скважинам. Один производитель поставляет пять разных размеров масляных насосов входной мощностью от 30 до 250 л.с, работающих при давлении до 6000 р81 (43 МПа). Для каждого насоса разработано по меньшей мере семь различных комбинаций поршень-вкладыш.

 

                Гидравлические струйные насосы

Особый вид гидравлических насосов, завоевывающий широкое признание, — это гидравлические струйные насосы. Обычно они работают как безобсадные насосы только с одной магистралью и не требующие газоотвода (рис. 10.30).

Основные рабочие детали гидравлического струйного насоса: форсунка, горловина и диффузор. Форсунка преобразует энергию рабочей жидкости высокого давления и малой скорости в энергию высокой скорости и низкого давления. После этого рабочая жидкость смешивается в горловине с жидкостью низкого давления на приеме насоса, создавая поток низкого давления со скоростью меньшей, чем на выходе из форсунки, но тем не менее достаточно высокой.