Штанговые скважинные насосы — это распространенный вид оборудования, которое позволяет добывать из скважин пластовую жидкость. Этот тип промышленных установок широко применяется в сфере добычи нефти, его изготовление регулируется, согласно ГОСТ Р 51896-2002. Он эксплуатируется в наибольшей части фонда действующих скважин в сфере нефтедобычи.
Элементы насосных установок
Установка скважинная насосная имеет привод ШСН, позволяющий осуществлять перемещение объекта непосредственно под воздействием насосных штанг. Среди ее основных действующих элементов, согласно ГОСТу 2002, насосы скважинные штанговые выделяются:
- цельный цилиндр неподвижного типа, имеющий удлинители;
- подвижный насосный плунжер;
- клапаны, включая всасывающие и нагнетательные;
- замки.
Каждый из удлинителей СН навертывается на цилиндр со всех его сторон. Они должны выдвинуть плунжер из него во время действия насосной конструкции. Промышленные скважинные установки функционируют без остаточных отложений внутри неподвижного цилиндра. В результате плунжер не заедает, поэтому ремонт штанговых насосов выполняется без каких-либо проблем. Применяемые в отечественной промышленности вставные насосы оснащаются следующими видами узлов:
- Замковой опорой.
- Цилиндром.
- Плунжером.
Установка скважинного насоса находится под напряжением, поэтому для изготовления деталей для различных типов штанговых скважинных насосов или ШСН необходимы высоколегированные стали. От этих материалов зависит длительность и безотказность полезного использования насосного оборудования. Герметичность их посадки обеспечивается высокой точностью выпуска деталей для насосов. Это относится и к резьбовым соединениям. Все элементы установки отличаются полной взаимозаменяемостью. Среди основных элементов ее конструкции предусмотрена наземная часть, состоящая из следующих звеньев, представляющих собой:
- Колонну.
- Цепь с винтом натяжения.
- Противовес с упором.
- Подвески (канатная, устьевого штока).
- Узел канатных блоков.
- Муфта-зубчатая.
- Звездочки ведомую и ведущую.
- Ограничитель схода каната.
- Ограждение и купейную дверь.
- Кожух ременной передачи.
Конструкция насосной установки с электродвигателем и станцией управления предусматривает несколько площадок:
- обслуживания ведомой звездочки;
- редуктора;
- канатных блоков;
- переднюю поворотную.
Оборудование имеет комплекс, представляющий собой наземный сегмент установки, который называется станком-качалкой. Элементы этой конструкции оставались неизменными долгие годы. Установка с дифференциальным преобразующим механизмом и редуктором оснащена клиноременной передачей, позволяющей приводить в действие станок-качалку.
Российскими предприятиями выпускался исключительно привод цепной штангового скважинного насоса. Устройства, заменившие насос ручной, находятся еще на стадии совершенствования с 2002 г.
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:
- Размеры безбалансирных приводов и их масса в меньшей степени зависят от длины хода, чем параметры этих элементов станка-качалки балансирного типа.
- 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.
- Производительность оборудования увеличивается, а расходы энергии на подъем скважинного продукта сокращаются.
- 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.
Условия использования ШСН
Изготавливаемые типы скважинных штанговых насосов осуществляют подъем жидкости. Государственный стандарт предусматривает деление колонн НКТ по методу крепления на 2 типа:
- Вставные (НСВ).
- Невставные (НСН).
Трубный насос или НСН, имеющий седло ВК (всасывающего клапана), оснащен цилиндром, опускание которого происходит в скважину на НКТ. Плунжер, предусматривающий наличие клапанов, должен опуститься в скважину перед сосом, а затем входит в цилиндр. Это осуществляется посредством штанг. Чтобы обеспечивалось соединение плунжеров установок с шариками клапанов всасывающего типа, применяются специальные штоки.
Минусом НСН является не только сложность процесса сборки, но и долгое время подъема устройства на поверхность. Ликвидировать неисправности конструкции сложно. Вставные насосы собираются на поверхности, после производится их спуск под землю на штангах внутрь колонн НКТ на определенную глубину скважины.
Трубный скважинный насос требует при подъеме насосного цилиндра установки из-под земли извлекать ее целиком. Это условие считается основной отличительной чертой НСН от НСВ. Вставные насосы в 2-2,5 раза увеличивают скорость спускоподъемных операций, что облегчает труд рабочих, осуществляющих ремонт скважин.
Вставной насос обладает меньшей подачей, чем невставной. Это обусловлено наличием труб заданного диаметра. Спуск НСВ осуществляется на штангах, а укрепление либо уплотнение элемента при наличии посадок производится на замковой опоре цилиндра. Она должна опуститься на НКТ.
Осуществлять подъем насоса из нефтяной скважины с помощью НСВ следует одновременно с извлечением колонны штанг при значительной глубине спуска. Эксплуатация НСВ осуществляется, если скважина обладает малым дебитом. Движение плунжера НСН является вертикальным, так как спуск и подъем осуществляются через штанги.
Конструктивные элементы насосной установки
Вставные и невставные штанговые насосы схожи по своей конструкции. Ее схема включает следующие элементы:
- станок-качалка;
- штанги;
- тройник;
- уплотнения;
- фундамент;
- насосно-компрессорные трубы в подвеске;
- шток.
Принцип работы насосной установки предполагает следующее. Наличие защитного приспособления на приеме насоса обеспечивает использование газового либо песочного фильтра. Это позволяет создать новый тип установки ШСН с различными приводами:
- ленточным;
- цепным;
- канатным и др.
Крутящий момент должен передаваться от двигателя редуктору, затем он достигает нижней звездочки на его валу, далее переходит на тяговую цепь, обеспечивающую преобразование вращательного движения звездочки в поступательное.
Соединение тяговой цепи с кареткой осуществляется через скалку при наличии груза для поддержания равновесия. Существуют различные группы посадок используемых насосов, отличающиеся по размерам пространства в промежутке между цилиндром установки и плунжером. Чем большей вязкостью обладает скважинная жидкость, тем более высокой является группа посадки. Производительность установки зависит от конструктивных параметров насосов. Они определяются величиной диаметра конструктивного элемента плунжера и соответствующей длиной хода этой детали:
- от 29 до 57 мм, от 1,2 до 6,0 м — для НСВ;
- от 32 до 95 мм, от 0,6 до 4,5 м — для НСН.
Обозначение НСН2-32-30-12-0 можно расшифровать следующим образом:
- 0 — отображение группы посадки;
- 12х100 — максимально возможная глубина спуска насосного оборудования (м);
- 30х100 — длина хода плунжера насоса (мм);
- 32 — величина диаметра плунжера (мм).
Предназначение насосной штанги, представляющей собой стержень, которой оснащен штанговый насос, заключается в передаче возвратно-поступательного движения устройства по схеме плунжер-насос. Насосная штанга оснащена утолщенными головками на концах, ее сечение является круглым.
Для создания штанг требуются только легированные стали. Размер длины штанговых конструкций для нормальных эксплуатационных условий должен составлять 8 м. Длина колонн штанг регулируется с целью уравновешивания посадки плунжера в цилиндр. Оборудование предполагает наличие футовок или укороченных штанг, длина которых может составлять: 1, 1,2, 1,5, 2 и 3 м.
Для соединения штанг необходимы муфты. Отечественные предприятия осуществляют выпуск насосных стеклопластиковых штанг, для которых характерна большая коррозийная стойкость. В результате энергопотребление снижается до 20 %.
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:
- Устьевой сальник. Обеспечивает герметизацию выхода устьевого штока за счет сальниковой головки.
- Тройник. Ввинчивается в муфту НКТ, он необходим для отвода скважинной продукции.
- Крестовина. Позволяет подвесить колонну НКТ на конусе, чтобы правильно расположить ее относительно скважинной оси.
- 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.
Комплектация станка-качалки
Среди узлов станка-качалки выделяются:
- Рама.
- Стойка, имеющая вид усеченной 4-гранной пирамиды;
- Балансир, оснащенный поворотной головкой.
- Траверса с шатунами.
- Редуктор.
Комплектация СК предусматривает набор шкивов, позволяющих изменять число качаний путем дискретного регулирования. Смена и натяжение ремней двигателя происходит достаточно быстро с использованием поворотной рамы-салазок. Монтаж станка-качалки производится на раму, смонтированную на железобетонном фундаменте. Для фиксации насосного балансира применяется шкив, который носит название тормозной барабан. Головка обеспечивает проход насосной установки в процессе ремонта скважины под землей.
Совершаемое головкой балансира движение по дуге предполагает ее соединение со штангами и устьевым штоком за счет гибкой канатной подвески, регулирующей посадку насосного плунжера в цилиндр СН. Амплитуда перемещения головки балансира регулируется посредством изменения участка сочленения кривошипа с шатуном относительно оси вращения. Перемещение грузов на балансир приводит к уравновешиванию действия станка-качалки. Процесс рассматривается как балансирное, роторное либо комбинированное штанговое уравновешивание.
Электрический двигатель установки
Производительность привода штангового СН зависит от работы электродвигателя, контролируемого специальным блоком управления. Это оборудование играет особую роль, так как при использовании установки могут возникать аварийные ситуации. К примеру, обрыв штанг, поломка редуктора, прорыв трубопровода, некачественная работа насоса, самозапуск СК после внезапного обрыва подачи электричества. СК имеет грузоподъемность 2-20 т на головке балансира.
В качестве источника электроэнергии для работы насосной установки используются короткозамкнутые электрические двигатели асинхронного типа. Для 3-фазных моделей серии АО характерно свойство влагоморозостойкости. Это относится и к модификациям электрических двигателей АО2 и АОП2.
Предназначение 3-фазных общепромышленных асинхронных электрических двигателей ремонтной серии АО2-9 связано с продолжительностью режима работы от сети. Такие типы электрических двигателей могут передавать энергию приводам разных механизмов. За счет них работают мельницы, вентиляторы, насосы, дымососы, станки, дробилки и т.д.
Электродвигатели серии АО незаменимы в нефтегазовой промышленности и других отраслях. Они выпускаются для разных климатических регионов, включая тропики, север и др. Модификации электрических двигателей могут быть совершенно разными.
Типы электрических двигателей подразделяются по разным критериям, включая мощность, способ монтажа, размещение и др. Предприятиями, выпускающими электродвигатели, проводятся доработки продукции по требованию клиента. В результате может быть изменен режим работы источника электроэнергии стандартной либо нестандартной формы исполнения.
