Установки гидропоршневых насосов

 

УСТАНОВКИ ГИДРОПОРШНЕВЫХ НАСОСОВ.

Область применения ГПУ – 1Скважины с дебитом от 10 –20 м^3/сут до 1200 м^3/сут. Напор до 3500м. 2.Возможность эксплуатации наклонно-направленных скважин. 3. Высокий КПД при откачке вязкой продукции, т.к. используется объёмный насос 4.Малая площадь занимаемого оборудования (что важно для морских промыслов). 5. Обслуживание кустов скважин. 6.  Эксплуатация при высоком содержании в пластовой жидкости воды (до 98 %), песка (до 2 %) и агрессивных компо­нентов.

Применение ГПН существенно упрощает процедуру ПРС (подземный ремонт скважин)

Недостатки – 1. Высокая стоимость оборудования 2. Утечки жидкости 3. Необходимость высокосистемной подготовки жидкости.

Вообще установки гидропоршневых на­сосов (УГН) предназначены для добычи нефти из 2—8 кусто­вых наклонно-направленных скважин с внутренними диаметрами эксплуатационных колонн 117,7—155,3мм.

Пример условного обозначения установки при заказе: уста­новка гидропоршневых насосов УГН25-150-25, где УГН—уста­новка гидропоршневых насосов; 25—подача одного гидропор­шневого агрегата, м^3сут; 150—подача установки суммарная, м^3/сут; 25—давление нагнетания гидропоршневого агрегата при заданном давлении нагнетания рабочей жидкости, МПа.

• Принцип действия установки основан на использовании гид­равлической энергии жидкости, закачиваемой под высоким дав­лением по специальному каналу в гидравлический забойный поршневой двигатель возвратно-поступательного действия, преобразующий эту энергию в возвратно-поступательное движение жестко связанного с двигателем поршневого насоса.

 

 

Гидродвигатель в действие приводится потоком рабочей жид­кости, закачиваемой силовым насосом, расположенным на по­верхности. Пластовая жидкость поднимается по колонне труб на поверхность, где часть ее используется для закачки силовым на­сосом обратно в скважину, а часть направляется в промысло­вый коллектор.

Конструктивно гидропоршневая насосная установка (ГПНУ) представляет собой: скважинный насос и гидродвигатель, объ­единенные в один агрегат — гидропоршневой погружной насос­ный агрегат (ГПНА), колонны насосно-компрессорных труб, блок подготовки рабочей жидкости и насосный блок.

Назначение этих элементов: насосный блок преобразует энергию приводного двигателя (электродвигатель или ДВС) в ме­ханическую энергию потока рабочей жидкости, гидропоршневой погружной насосный агрегат преобразует энергию рабочей жид­кости в энергию откачиваемой пластовой жидкости, система ко­лонн НКТ является каналами для рабочей и пластовой жидко­стей, а блок подготовки рабочей жидкости служит для очистки пластовой жидкости от газа, песка и воды перед использова­нием ее в качестве рабочей в силовом насосе.

Установка УГН состоит из скважинного и назем­ного оборудования.

 

Гидропоршневые насосные установки различаются:

·              по типу принципиальной схемы циркуляции рабочей жидко­сти (открытая или закрытая);

·                              по принципу действия скважинного насоса (одинарного, двойного действия или дифференциальный);

·                              по принципу работы гидродвигателя (дифференциального или двойного действия);

·                              по способу спуска погружного агрегата (спускаемые на ко­лонне НКТ—фиксированные или свободные—сбрасываемые в скважину);

·                              по числу ГПНА, обслуживаемых одной наземной установкой (индивидуальные или групповые).

  

 

Гидропоршневой погружной насос­ный агрегат (ГПНА) разде­ляется на три части: собственно ГПНА, седло, сбрасываемый об­ратный клапан. Седло укрепляется на конце насосно-компрессорных труб (НКТ) и служит для посадки клапана и ГПНА при сбрасывании в НКТ.

После установки устьевого переключателя в положение «подъем» поток рабочей жидкости направляется в колонну, по которой при положении «работа» поднимается смесь добытой и отработанной жидкостей.

Рис. 4.10. Схема гид­ропоршневого   агре­гата: / — колонна НК.Т,; 2 — гидропоршневой  насос; 3 — золотник; 4 — седло насоса;     5 — поршень двигателя; 6 — узел рас­пределения; 7 — поршень насоса;   8 — сбрасывае­мый клапан; 9 — пакер

Поток увлекает ГН вверх и доставляет в ловильную камеру устья. После перекрытия центральной задвижки, отсекающей камеру от внутрискважинного пространства, снимают ловиль­ную камеру и извлекают ГН, а на его место вставляют новый насос; возвращают камеру в исходное положение, открывают центральную задвижку, ставят переключатель в положение «ра­бота». Насос под действием собственного веса и потока рабо­чей жидкости двигается вниз, доходит до посадочного седла и начинает работать.

Регулятор расхода, установленный на распределительной гребенке, поддерживает подачу насоса на заданном уровне.

Установки УГН  по схеме с открытой циркуляцией рабочей жидкости, имеющей простейшее конструктив­ное исполнение и один ряд НКТ—пакерное устройство, позволяющее использовать в ка­честве канала кольцевое пространство меж­ду колонной НКТ и обсадной колонной. Смесь добытой и отработанной жидкостей поступает в систему емкостей, где происхо­дит отделение газа, воды, механических примесей, а оставшаяся часть смеси — на прием силового насоса и в коллектор про­дукции. При герметизированной однотруб­ной системе нефтепромыслового сбора неф­ти и газа отсепарированный газ направля­ется в тот же коллектор.

• В качестве силовых насосов используют трех- или пятиплунжерные насосы высокого давления. Рабочая жидкость, выходящая из газосепаратора, перед поступлением на прием силовых насосов проходит через гидроциклонный аппарат, где происходит отделение механических примесей в поле центробеж­ных сил. Очищенная от газа, воды, механических примесей рабочая жидкость под высоким давлением направляется на гребенку для распределения по напорным наземным трубопрово­дам, а затем—в оборудование устья скважин, откуда при по­ложении устьевого переключателя «работа» — в НКТ и далее в ГН, приводя его в действие.
• Гидропоршневой насосный агрегат представляет собой прямодействующий гидравлический насос, управление гидродвига­телем которого осуществляется золотниковым устройством.
• Конструкцией ГН определяются основные параметры уста­новки: подача, давление, расход рабочей жидкости, рабочее давление, к. п. д., глубина спуска в скважину, размер и кон­струкция лифта, надежность.
• ГН включает поршень насоса, жестко соединенный сило­вым штоком с поршнем двигателя, управляющее золотниковое устройство и клапаны—всасывающий и нагнетательный.

• Рабочая жидкость поступает в одну из полостей двигателя, создавая усилие, увлекающее поршень двигателя и соответст­венно поршень насоса вверх или вниз.
• При подходе поршня двигателя к крайнему положению зо­лотник под механическим или гидравлическим воздействием поршня двигателя перемещается в противоположное положение, меняя направление движения рабочей и отработанной жидко­стей в гидродвигателе. Это приводит к изменению направления поршневой группы. Насос, совершая возвратно-поступательное движение, откачивает жидкость из пласта через всасывающий и нагнетательный клапаны.

 

 

Рис. 45. Схема спуска, работы и подъема сбрасываемого гидропоршневого насосного агрегата. а — спуск; б — работа; е — подъем

 

 

Тип принципиальной схемы циркуляции рабочей жидкости предопределяет способ возврата рабочей жидкости на поверхность. В установках с закрытой схемой жидкость после совершения ею полезной работы из гидродвигателя по отдель­ному каналу поднимается на поверхность. Продукция пласта, выходящая из скважинного насоса, поднимается по своему от­дельному каналу.

В установках с открытой схемой жидкость, выйдя из гидродвигателя, смешивается с жидкостью, выходящей из скважинного насоса, и поднимается на поверхность по общему каналу.

Недостатком первой схемы является большая металлоем­кость, поскольку от устья к погружному агрегату необходимо опустить три герметичных трубопровода: для подачи рабочей жидкости к агрегату, для ее отвода и для подъема пластовой жидкости. Достоинством этой схемы являются незначительные потери рабочей жидкости, определяемые только лишь утечками из системы привода.

 

Установки с открытой схемой обладают меньшей металлоем­костью, так как предполагают каналы только для двух потоков жидкости—сверху вниз—рабочей, а снизу вверх—смеси ра­бочей и пластовой жидкости. Соответственно проще и оборудо­вание устья.

 

Недостатком этой системы является необходимость обработки большого количества рабочей жидкости, что требует применения сложных и высокопроизводительных систем для ее подготовки.

 

Принципиальные схемы ГПНУ

    Принципиальные схемы установок обоих типов приведены на рис.  В каждой из них двигатель 1 приводит в действие силовой насос 2, который по колонне труб 3 подает рабочую жидкость к двигателю 4 гидропоршневого агрегата (ГПНА). Скважинный насос 5 ГПНА, приводимый в действие двигателем 4 забирает пластовую жидкость из скважины и по колонне труб 6 направляет ее вверх. В установке с открытой схемой рабочая жидкость из мотора поднимается на поверхность по колонне труб 6, а в установке с закрытой схемой — по отдельной ко­лонне 7.

В установке с открытой схемой смесь пластовой и рабочей жидкости из колонны 6 направляется в устройство подготовки рабочей жидкости 8, из которого очищенная нефть по трубопро­воду 9 поступает на прием силового насоса 2, а остальная часть потока вместе с отдельными примесями направляется в сбор­ный промысловый коллектор.

В установке с закрытой схемой рабочая жидкость возвраща­ется в буферную емкость устройства подготовки 8, откуда тру­бопроводом 9 направляется на прием силового насоса 2. Пла­стовая жидкость из колонны 7 отводится в сборный промысло­вый коллектор, а небольшая часть жид­кости   (1—2%)   по трубопроводу10 направляется в устройство подготовки 8 для компенсации   потерь рабочей жидкости.

 

Рис.8.3. Схемы насосов погружных агре­гатов

         По принципу действия    скважинного   насоса существующие конструкции   можно разделить на группы с насосами одинарного (рис. 8.3, а), двой­ного (рис. 8.3. б) и дифференциального действия (рис. 8.3, в).

В агрегатах оди­нарного действия шток с двумя поршнями совершает возвратно-поступательное движение в результате попеременной подачи жидкости из напорного трубопровода то в полость 3, ,то 4. Жид-. кость подается золотниковым устройством. В результате в на-<осе 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.

Полость 5 соединена с затрубным пространством с помощью отверстия, и при перемещении поршня вверх и вниз жидкость может свободно циркулировать.

В агрегатах двойного 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 I.

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 / закрыт, из полостей 5 н 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.

Соотношение объемов пла­стовой жидкости, вытесняе­мой в напорный трубопровод при ходе вверх и вниз, будет определяться   соотношением площадей поперечного сече­ния поршня и штока насоса.

 

По  принципу   дей­ствия      гидродвига­теля  ГПНА  различаются дифференциального или двой­ного действия. 

 

Рассмотрим конструкцию и работу на при­мере гидродвигателя  двой­ного действия (рис. 8.4). Он представляет собой кор­пус 1, в котором располо­жены цилиндр 4 с поршнем 5 и штоком 6, главный золот­ник 2 и управляющие им верх­ний 3 и нижний клапаны. Нижний   клапан  включает в себя кольцевые канавки f и g и канавку е на штоке 6. Все эти элементы соединены внутренними каналами. Шток гидродвигателя является одно­временно штоком скважинного насоса, размещенного ниже и представляющего вместе с гидродвигателем единое целое — гидропоршневой погружной насосный агрегат (ГПНА).

Двигатель работает следующим образом: рабочая жидкость, поступающая сверху непрерывным потоком, попадает во внут­реннюю полость агрегата через отверстия в верхней части кор­пуса.

Ход поршня вверх (рис. 8.4, а). Главный золотник 2 занимает нижнее положение, и рабочая жидкость по внутрен­ним каналам направляется из полости а в нижнюю полость ци­линдра d, поршень 5 которого вместе со штоком перемещается вверх. (Направление потока рабочей жидкости под давлением показано сплошными стрелками). В это время шток верхнего клапана 3 находится в нижнем положении, так как на него сверху действует усилие, обусловленное перепадом давлений между внутренней полостью а и верхней полостью цилиндра с, а также усилие возвратной пружины.

Отработавшая рабочая жидкость из верхней полости ци­линдра вытесняется через золотник (направление потока отработавшей жидкости показано пунктирными линиями) в затрубное пространство.

 При подходе поршня к верхнему положению скорость его движения уменьшается благодаря работе демпфера—конического выступа на поршне 5 и отверстия в корпусе. Одновре­менно поршень перемещает вверх шток верхнего клапана, в результате чего благодаря канавке на штоке полость а сообщается с полостью b. Так как площадь верхнего торца золотника  меньше площади нижнего, то главный золотник 2 под действием разности сил, обусловленных давлением рабочей жидкости на его торцы, перемещается вверх.

 

Рис. 8.4. Схема гидравлического двигателя двойного действия

В результате перемещения главного золотника 2 вверх ка­нал, подающий рабочую жидкость под поршень цилиндра, за­крывается и поршень останавливается, одновременно с этим главный золотник соединяет подпоршневой объем d с затрубным пространством, а верхнюю полость с—с полостью а.

Ход поршня вниз (см. рис. 8.4,6). Рабочая жидкость из полости а направляется в верхнюю полость цилиндра с и пе­ремещает его поршень вниз. Одновременно перемещается вниз верхний пилот 3, достигнув своего нижнего положения, он за­крывает канал, связывающий полость а с нижней полостью зо­лотника. Золотник, находящийся в нижнем положении, соеди­няет верхнюю полость цилиндра c с нижней полостью золот­ника b, благодаря чему он остается в верхнем положении до тех пор, пока поршень, подходя к своему нижнему положению, не начнет замедлять свою скорость благодаря работе нижнего демпфера. Канавка е на штоке поршня не соединит кольцевые канавки f и g.

В результате соединения канавок f и g нижняя полость зо­лотника b будет соединена с затрубным пространством, и золот­ник переместится вниз под действием давления, воздействую­щего на него сверху.

При этом канал, подающий жидкость в верхнюю полость ци­линдра, будет перекрыт, подпоршневой объем цилиндра d соеди­нится с полостью а, а верхняя полость c с затрубьем.

Далее начинается ход поршня вверх, и цикл работы двига­теля повторяется. При перемещении штока вверх — вниз осуще­ствляется привод в действие скважинного насоса, работа кото­рого была рассмотрена ранее.

По способу спуска ГПНА различаются; агрегаты, спус­каемые на колонне насосно-компрессорных труб (аналогично трубному скважинному насосу), фиксированные и так называе­мые свободные агрегаты. Первые жестко соединяются с колон­ной, и для их подъема необходимо поднять НКТ, что сопряжено о большой затратой сил и времени бригады подземного ре­монта, вторые снабжаются специальным уплотнением и замком и поднимаются или опускаются посредством рабочей жидкости, направление которой изменяется в зависимости от необходи­мого направления движения агрегата. Для монтажа свободных агрегатов в нижней части труб устанавливается специальное седло, а на устье—ловитель и специальная обвязка, позволяю­щая изменять направления потоков в колоннах насосно-компрессорных 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 подъеме свободного агрегата в схеме в и г поток жидко­сти в канале, служащем для подъема пластовой жидкости, из­меняется на противоположный, обратный клапан 10 закрыва­ется, и агрегат 8 перемещается вверх.

При использовании закрытой гидравлической схемы приме­няют следующие варианты конструкций внутрискважинного оборудования (рис.8.6).

Фиксированный ГПНА с тремя рядами насосных труб (рис. 8.6,a). Рабочая жидкость подводится и отводится по концентрично расположенным колоннам труб 1 и 2, а пластовая жидкость поднимается по расположенной параллельно им ко­лонне 3. Агрегат 6 спускается на внутренней колонне 1 и снаб­жен уплотнением 5, расположенным в верхней части агрегата, для предотвращения смешивания потоков рабочей и пластовой жидкости. Фиксация агрегата обеспечивается седлом с замком, установленными вместе с обратным клапаном 9 в нижней части |колонны.

Фиксированный ГПНА с двумя концентричными колоннами (рис. 8.6, б). Рабочая жидкость, как и в предыдущей схеме, подводится и отводится по концентрично расположенным трубам 1 и 2, а пластовая жидкость поднимается по кольцевому каналу между колонной 2 и эксплуатационной колонной 4. Обя­зательным является применение пакера 8, устанавливаемого в эксплуатационной колонне 4, с которым взаимодействует хвостовик колонны 2.

 

Рис. VIII.6. Оборудования скважин ГПНУ с закрытой схемой циркуляции рабочей жидкости

  Свободный ГПНА с тремя параллельными колоннами труб  (рис. 8.6, в). Подвод рабочей жидкости к агрегату 10,  а также его спуск и подъем осуществляются по центральной  трубе 1 большого диаметра. В нижней части ее установлены замок 7, фиксирующий агрегат после установки его в рабочем  положении, и обратный клапан 9 для подачи рабочей жидкости  под агрегат при его подъеме. Рабочая и пластовая жидкости поднимаются по отдельным колоннам 2 и 3, расположенным параллельно колонне 1.

   Свободный ГПНА с двумя параллельными колоннами труб  (рис. 8.6, г). Подвод рабочей жидкости, подъем и спуск агрегата осуществляются, как и в предыдущей схеме, по колонне большого диаметра. Башмак колонны 1 взаимодействует с пакером 8, установленным в эксплуатационной колонне 4. Рабо­чая жидкость поднимается по параллельной колонне 2, а пла­стовая — по кольцевому пространству внутри обсадной ко­лонны 4.

   Анализ рассмотренных конструкций показывает, что использование ГПНА в сочетании с закрытой схемой усложняет внутрискважинное оборудование, так как требует дополнительного 5 канала для возврата рабочей жидкости. Наименее металлоемкими и наиболее производительными являются схемы с использованием полости эксплуатационной колонны, что, как и в рассмотренных конструкциях открытых схем, требует установки пакера. Вместе с тем недостатки описанных схем компенсируются удобством установки и извлечения ГПНА, что и объясняет их широкое применение.

Наземное оборудование                             

В состав наземного оборудования установок входят силовой на­сос с приводом, оборудование устья скважины и блок очистки рабочей жидкости.

Наиболее ответственной частью наземного оборудования яв­ляется силовой насосный агрегат, от его параметров в прямой зависимости находятся параметры ГПНА. Как правило, приме­няются трех- и пятиплунжерные горизонтальные или вертикальные насосы, 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.

Наземный насосный агрегат может применяться как для при­вода одного ГПНА, так и для нескольких, расположенных в различных скважинах. Для распределения жидкости между  ними используются распределительные гребенки со стабилиза­торами расхода рабочей жидкости.

Блок подготовки рабочей жидкости имеет параметры, обус­ловленные, прежде всего, типам гидравлической схемы уста­новки: закрытой или открытой. В первом случае его произво­дительность составляет 1—3 % от подачи силового насоса, во втором — до 50 %.

Как правило, в качестве рабочей жидкости используется сы­рая нефть, после того как из нее удалены свободный и раство­ренный газ, вода, абразив. Если подготовка рабочей жидкости в малых количествах при использовании закрытых схем не вы­зывает трудностей, то очистка ее для установок с открытой схе­мой достаточно сложна.

Высокие требования к качеству рабочей жидкости предопре­деляются в конечном счете долговечностью, которой должны об­ладать и силовой насос и ГПНА. Невыполнение этого требова­ния, например, в отношении содержания абразива будет приво­дить к интенсивному изнашиванию пар трения: плунжер— уплотнение в насосе, поршень—цилиндр, детали золотника и клапанов в ГПНА, увеличение содержания коррозионноактивных компонентов — к коррозии внутренних полостей, в том чи­сле и рабочих поверхностей, гидросистемы.

Схема простейшей установки для подготовки рабочей жидкости включает трехфазный сепаратор, отделяющий свободный газ и воду от нефти, и буферную емкость для хранения и от­стаивания нефти. Иногда в эту схему включается устройство для дотирования и подачи в рабочую жидкость химических реа­гентов, например, для внутрискважинного деэмульгирования пластовой жидкости.