Карлагина. Факультет инженерной механики Кафедра Стандартизации, сертификации и управления качеством производства нефтегазового оборудования
 Скачать 0.52 Mb.
|
|
МИНОБРНАУКИ РОССИИ РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина
Р Е Ф Е Р А Т
МИНОБРНАУКИ РОССИИ РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина
ЗАДАНИЕ НА РЕФЕРАТ
Содержание работы:
Исходные данные для выполнения работы:
Рекомендуемая литература:
Графическая часть:
С О Д Е Р Ж А Н И Е Введение…………………………………………………………………4 Устройство и принцип действия………………………………………. 5-8Гидропоршневой насос дифференциального типа…………………… 9-11Спуск и подъём гидропоршневого насоса……………………………. 12-14Наземная станция установки гидропоршневого насоса………………15-17 Заключение………………………………………………………………18 Список использованных источников……………………………..……19 Введение Нефтяная индустрия – это основная отрасль промышленности и экономики Российской Федерации. Ежегодно в стране добываются миллионы тонн черного золота. Чтобы добыть горючие полезные ископаемые из недр Земли, применяют специальные устройства для перекачки нефти, мазута, нефтепродуктов, пластовой жидкости с соединениями, а также для уменьшения содержания углеводородов и воды. Такие механизмы называются нефтяными насосами. Насосы обеспечивают надежность и безопасность действий, а также регулируют эффективность перекачки. Проточная часть нефтяных насосов изготавливается из титана или нержавейки. Торцевые уплотнения выполняются либо промывными, либо с защитой от твердых включений, но непременно с устойчивыми к агрессивному воздействию среды соединениями. На рынке существует огромное разнообразие насосных установок, которые отличаются , и принципом работы, и качественными характеристиками. Существуют следующие виды насосов для нефти: винтовой; диафрагменный; гидропоршневый; магистральный; мультифазный; пластинчатый; струйный; штанговый; штанговый винтовой. Достоинства нефтяных насосов Главными преимуществами насосов для перекачки химии и нефти являются взрывозащищенность; надежность торцевых уплотнений (одинарные либо двойные); специфичность материалов изготовления и установки (углеродистая, хромистая, легированная сталь и другие); производительность; инертность к агрессивным средам. Рассмотрим подробнее гидропоршневые насосные установки, выявим их явные преимущества. Устройство и принцип действияПуск гидропоршневой установки разрешается только после проверки исправности электроконтактного манометра при открытых запорных устройствах на линиях всасывания и нагнетания силового насоса и на перепускной линии. Давление в напорной системе следует создавать после установления нормальной работы всего наземного оборудования. При остановке силового насоса давление в нагнетательном трубопроводе должно быть снижено до атмосферного. До извлечения гидропоршневого насоса из скважины давление в головке устьевой арматуры должно быть снижено до атмосферного. Гидропоршневой насос необходимо извлекать и спускать подъёмным устройством, с полиспастом, укрепляемым на устье скважины. Гидропоршневые насосы (ГПН) состоят из двух основных частей: гидравлического поршневого двигателя объемного типа D и соединенного с двигателем общим штоком поршневого насоса двухстороннего действия Н. Важным элементом ГПН, управляющим его работой, является золотниковое устройство 3 (Рис.1). По принципу действия оно аналогично действию четырехходового крана. Внутренняя часть золотника с каналами может поворачиваться на 90° и занимать два положения. Такие переключения (повороты) осуществляются автоматически от штока двигателя. Под действием давления рабочей жидкости поршень 3 двигателя совершает ход вниз. Жидкость из-под поршня выходит через золотник в выкидной трубопровод 2 (кольцевое пространство). В конце хода вниз четырехходовой кран (золотник) автоматически поворачивается на 90°. Рабочая жидкость из трубопровода 1 (НКТ) благодаря новому положению золотника получает доступ в нижнюю полость цилиндра двигателя D, а отработанная жидкость из верхней полости цилиндра попадает в выкидную линию 2. Под действием давления рабочей жидкости, поступающей в нижнюю полость, поршень 3 совершает ход вверх. В конце хода вверх золотник, связанный со штоком двигателя, снова поворачивается на 90° в обратную сторону, а его каналы снова занимают первоначальное положение. Это обеспечивает поступление рабочей жидкости в верхнюю полость двигателя и ход вниз. Скорость перемещения поршня двигателя и число его ходов, очевидно, будет зависеть от скорости закачки рабочей жидкости. При малой скорости закачки число ходов поршня двигателя будет малым и наоборот. Однако число ходов не может увеличиваться беспредельно. Инерция поршневой группы агрегата, золотника и жидкости в каналах будет лимитировать число 1 ходов, которое обычно не превышает 100. Жестко со штоком двигателя связан поршень (плунжер) 4 скважинного насоса Н, который также совершает возвратно-поступательное движение. Цилиндр насоса имеет с обеих сторон по одному нагнетательному 5 и всасывающему 6 клапану. При ходе поршня 4 вниз пластовая жидкость под действием давления на глубине погружения насоса будет поступать в верхнюю полость цилиндра насоса, проходя по обводному каналу 7 и через верхний всасывающий клапан 6. Пластовая жидкость из нижней полости цилиндра при ходе поршня 4 вниз будет вытесняться через нижний нагнетательный клапан 5 в выкидной трубопровод 2 (кольцевое пространство), смешиваясь там с отработанной рабочей жидкостью. При ходе поршня 4 вверх в полости под поршнем будет происходить всасывание пластовой жидкости через нижний всасывающий клапан 6, а в полости над поршнем нагнетание пластовой жидкости через верхний нагнетательный клапан 5 в выкидной трубопровод 2, т. е. в кольцевое пространство. Конструктивно золотник выполнен в виде фасонной втулки, сидящей на штоке двигателя, которая может перемещаться в своем цилиндре с подводящими и отводящими каналами. В верхней и нижней частях штока двигателя имеются короткие пазы - каналы, через которые рабочая жидкость попадает в цилиндр золотника и смещает фасонную втулку для сообщения полостей цилиндра двигателя с трубопроводами 1 и 2. Благодаря двойному действию подача насоса почти в 2 раза больше подачи обычного плунжерного насоса одинарного действия при прочих равных условиях (диаметр, ход, габарит).  Рис.1. Принципиальная схема гидропоршневого насоса двойного действия с золотником схематично показанным в виде двухходового крана. 1,2-трубопровод; 3- золотниковое устройство; 3,4- поршень; 5- нагнетательный клапан; 6- всасывающий клапан; 7- обводной канал. Насос отбирает добываемую жидкость. Отработанная рабочая жидкость из двигателя направляется в подъемные трубы, по которым идет жидкость, отбираемая из скважины. На поверхность поднимается их смесь. На поверхности располагаются насос, подающий рабочую жидкость к скважинному агрегату, и система подготовки рабочей жидкости. Часть жидкости, поднятая из скважины, направляется в промысловую систему сбора продукции, а часть идет в открытую систему подготовки рабочей жидкости, откуда отделенные вода и газ направляются в промысловую сеть, а чистая рабочая жидкость — в поверхностный насос (Рис. 2).  Рис. 2. Схема гидропоршневой установки 1-скважинный насос; 2-погружной двигатель; 3-канал для подъёма продукции скважины и отработанной рабочей жидкости; 4-канал для подачи рабочей жидкости к погружному агрегату; 5-поверхностный силовой насос; 6-система подготовки рабочей жидкости  Открытая система циркуляции и подготовки рабочей жидкости имеет отстойники, сепараторы, устройства для подачи реагентов (например, для разделения стойких эмульсий) и иногда подогреватели. Поверхностные силовые насосы обычно плунжерные, но могут применяться и высоконапорные центробежные насосы. Применяется также схема с замкнутой циркуляцией рабочей жидкости. В этом случае в скважине должен быть третий трубопровод, по которому рабочая жидкость, отработавшая в двигателе, поднимается на поверхность, не смешиваясь с добытой жидкостью. Таким образом, подготовка рабочей жидкости резко упрощается. Практически в этом случае в основном надо отделить лишь механические примеси (окалина с труб, продукты износа трущихся деталей). Поверхностное оборудование значительно упрощается, но требуется иметь три канала в скважине, что не всегда экономично, а иногда и невозможно. Целесообразно иметь одну мощную поверхностную систему подготовки жидкости установки на несколько эксплуатируемых скважин (7—40 скважин). Скважинные гидропоршневые насосы при этом могут быть нескольких типоразмеров. В этом случае облегчается обслуживание и уменьшается число единиц оборудования. Такие установки называют групповыми, в отличие от индивидуальных, имеющих у каждой эксплуатируемой скважины поверхностный насос и систему подготовки рабочей жидкости. Гидропоршневой насос дифференциального типаСуществуют ГПН одинарного действия или так называемого дифференциального типа, в которых подача насосом пластовой жидкости происходит только при ходе вверх (Рис.3.). Рабочая жидкость подается по каналу 6 в пространство под поршень двигателя и далее через специальный канал 7 в поршне, перекрываемый управляющим клапаном 5, попадает в полость над поршнем 4. Поскольку верхняя площадь поршня 4 больше нижней на величину площади штока, то сила, действующая сверху, будет больше, чем снизу, поэтому поршень 4 двигателя переместится вниз. Вместе с ним получит перемещение вниз плунжер 1 в насосном цилиндре. Нагнетательный клапан 2 в плунжере откроется. При крайнем нижнем положении поршня двигателя управляющий клапан 5 перекроется, и канал 7 закроется. Верхняя полость двигателя через канал 8 и внутреннее сверление в теле штока получит сообщение с пространством над плунжером насоса и по обводному каналу с насосными трубами 9. Давление под поршнем двигателя будет нарастать, пока поршень не сделает ход вверх. При ходе вверх всасывающий клапан 3 откроется и цилиндр насоса будет заполняться пластовой жидкостью. В крайнем верхнем положении управляющий клапан механического действия снова откроет канал 7 и закроет канал 8. Произойдет ход вниз. Работа ГПН одинарного действия сопровождается сильной пульсацией давления рабочей жидкости на поверхности. Замеряя давление рабочей жидкости с помощью самопишущего манометра, можно получить динамограмму работы ГПН. Нагнетательным каналом для подачи рабочей жидкости к ГПН служит обычно колонна НКТ, на конце которых размещается агрегат ГПН. Каналом для возвращения на поверхность отработанной рабочей жидкости, а также для подачи на поверхность пластовой жидкости, откачиваемой насосом, служит кольцевое пространство между первым и вторым рядом НКТ. Таким образом, для обеспечения работы ГПН необходимо два канала, а следовательно, два ряда труб. Однако существуют схемы и с одним рядом труб. В этих схемах вторым каналом для возврата жидкостей на поверхность является кольцевое пространство между НКТ и обсадной колонной. При работе по такой схеме на глубине подвески насоса устанавливается пакер, герметизирующий кольцевое пространство, и весь пластовый газ вынужден проходить вместе с жидкостью через насос. Применение различных сепарационных устройств в виде газовых якорей становится бесполезным. Это приводит к уменьшению коэффициента наполнения насоса. Существуют трехканальные системы, при которых рабочая жидкость подается по внутреннему малому диаметру НКТ, а возвращается на поверхность по кольцевому промежутку между первым и вторым рядом НКТ без смешивания ее с пластовой жидкостью. Пластовая жидкость поступает на поверхность по третьему каналу, между вторым и третьим рядами НКТ. Как видно, при работе по такой схеме нужны три ряда НКТ. В крайнем случае третьим каналом для подачи пластовой жидкости на поверхность может служить кольцевое пространство между вторым - наружным рядом НКТ и обсадной колонной. Трехканальная схема имеет преимущество перед двухканалъной, так как отпадает необходимость отделения рабочей жидкости от пластовой, ее подготовка и регенерация для повторного использования. При трехканальной схеме сепарационные устройства и подготовка рабочей жидкости на поверхности сильно упрощаются. Большим недостатком трехканальных или, как их называют, закрытых систем является большая металлоемкость установки, а следовательно, высокая стоимость оборудования скважины.  Рис.3. Принципиальная схема ГПН дифференциального типа (одинарного типа): а-ход вниз, б-ход вверх. 1- плунжер в насосном цилиндре; 2-нагнетательный клапан; 3- всасывающий клапан; 4- поршень; 5- управляющий клапан; 6,7,8- каналы. Спуск и подъём гидропоршневого насосаСпуск и установка ГПН в скважине может осуществляться двумя путями: спуск и подвеска ГПН на НКТ и спуск ГПН и посадка его на рабочее место проталкиванием нагнетаемой жидкостью через НКТ (так называемые свободные ГПН). На НКТ малого диаметра (второй ряд труб) 1 подвешивается ГПН 4, который нижней своей частью, имеющей уплотнительный элемент 7, садится в посадочный конус 5, привинченный к низу первого ряда НКТ 2 большего диаметра (Рис.4). Сначала спускается НКТ большего диаметра (первый ряд труб), а затем на НКТ меньшего диаметра спускается ГПН. Рабочая жидкость нагнетается по НКТ малого диаметра. Отработанная жидкость вместе с пластовой поднимается по кольцевому пространству. В скважину предварительно спускается и закрепляется на шлипсах пакер 6 с посадочным конусом для ГПН, для герметизации кольцевого пространства. После установки пакера НКТ извлекаются и на них спускается ГПН с посадкой на пакер. Рабочая жидкость нагнетается по НКТ. Отработанная и пластовая жидкости возвращаются по кольцевому пространству.  Рис. 4. Оборудование скважины гидропоршневым насосом: а) при двухярдовом подъёме; б) при однорядном подъёме; 1-трубы малого диаметра; 2- первого ряда НКТ большего диаметра; 3-труба большого диаметра; 4- ГПН; 5-посадочный конус; 6-пакер на шлипсах; 7- уплотнительный элемент. Для ремонта ГПН при его спуске на НКТ необходимо извлекать всю колонну труб из скважины. Эти операции трудоемки и связаны с работой на скважине бригады подземного ремонта. В связи с этим были разработаны и в настоящее время наиболее распространены свободные ГПН. На устье скважины устанавливается четырехходовой кран - переключатель высокого давления, позволяющий нагнетание жидкости в НКТ и выход жидкости из кольцевого пространства и нагнетание жидкости в кольцевое пространство и выход из НКТ. При оборудовании скважины свободным ГПН в нижней части НКТ обязательно устанавливается обратный клапан. После заполнения НКТ нефтью, удерживаемой обратным клапаном, сбрасывается ГПН, который потоком жидкости, нагнетаемой в НКТ, проталкивается вниз. При этом четырехходовой кран устанавливается в положение «спуск - работа». В нижней части второго ряда НКТ имеется специальный стакан с необходимыми каналами и уплотнительными кольцами для посадки в него ГПН. На корпусе ГПН имеются уплотнительные резиновые кольца и отверстия для перетоков жидкости, а в верхней части ГПН - эластичный резиновый поршень-манжет диаметром, равным внутреннему диаметру НКТ. Кроме того, имеется коническая ловительная головка. Давлением рабочей жидкости, нагнетаемой в НКТ, ГПН садится в стакан. Приемная часть ГПН внизу корпуса проходит через уплотнитель в стакан с обратным клапаном. После посадки ГПН на место давление рабочей жидкости возрастает, и насос начинает работать. Для подъема насоса из скважины четырехходовой кран устанавливается в положение «подъем». Рабочая жидкость от силового агрегата начинает поступать в кольцевое пространство между НКТ и создает давление под уплотнительными кольцами насоса. При определенном давлении ГПН выходит из посадочного стакана, проталкивается вверх по НКТ. При захвате насоса ловителем одновременно выключается привод силового насоса, после чего устье скважины может быть открыто и насос извлечен на мостки. Скорость спуска и подъема свободного ГПН определяется расходом рабочей жидкости, состоянием уплотнительной манжеты и вообще спуск происходит при малых давлениях. Выпрессовка насоса из его посадочного стакана осуществляется при значительных давлениях. Спуск и подъем свободного ГПН с глубины примерно 2000 м могут быть осуществлены одним человеком за 2 - 2,5 ч. Поднятый насос извлекается из скважины вместе с ловителем с помощью ручной лебедки и небольших талей. Это является большим преимуществом свободных ГПН. Однако наружный диаметр корпуса свободного ГПН должен быть всегда меньше внутреннего диаметра НКТ, поэтому свободные ГПН имеют всегда меньшую подачу, чем насосы, спускаемые на трубах, при прочих равных условиях.  Схема 5. Подъём из скважины свободного ГПН: а) подъем насоса ; б) захват устьев ловителем; I-рабочего давления ;II-забойного давления; III- избыточного гидростатического давления Гидропоршневой насос Из всего вышесказанного можем в полной мере понять что же такое ГПН. Гидропоршневой насос представляет собой насос плунжерного типа, опускаемый в скважину на двухрядных концентрических трубах. Плунжер насоса приводится в действие жидкостью, закачиваемой в скважину по одному ряду труб. Эта жидкость, называемая силовой, приводит в возвратно-поступательное движение плунжер насоса, который качает из скважины жидкость. Силовая жидкость одновременно с откачиваемой поднимается на поверхность по центральным трубам.  Рис.6. Гидропоршневая насосная установка а – подъем насоса; б – работа насоса; 1 – трубопровод; 2 – емкость для рабочей жидкости; 3 – всасывающий трубопровод; 4 – силовой насос; 5 – манометр; 6 – сепаратор; 7 – выкидная линия; 8 – напорный трубоопровод; 9 – оборудование устья скважины; 10 – 63 мм трубы; 11 – 102 мм трубы; 12 – обсадная колонна; 13 – гидропоршневой насос (сбрасываемый); 14 – седло гидропоршневого насоса; 15 – конус посадочный; 16 – обратный клапан; I — рабочая жидкость; II — добываемая жидкость; III — смесь отработанной и добытой жидкости Гидропоршневая насосная установка состоит из поршневого гидравлического двигателя и насоса 13, устанавливаемого в нижней части труб 10, силового насоса 4, расположенного на поверхности, емкости 2 для отстоя жидкости и сепаратора 6 для её очистки. Насос 13, сбрасываемый в трубы 10, садится в седло 14, где уплотняется в посадочном конусе 15 под воздействием струй рабочей жидкости, нагнетаемой в скважину по центральному ряду труб 10. Золотниковое устройство направляет жидкость в пространство над или под поршнем двигателя, и поэтому он совершает вертикальные возвратно-поступательные движения. Нефть из скважин всасывается через обратный клапан 16, направляется в кольцевое пространство между внутренним 10 и наружным 11 рядами труб. В это же пространство из двигателя поступает отработанная жидкость (нефть), т.е. по кольцевому пространству на поверхность поднимается одновременно добываемая рабочая жидкость. поршневая установка Наземная станция установки гидропоршневого насоса Установка ГН состоит из двух блоков: технологического и управления (Рис.7). Все оборудование наземной станции располагается в двух транспортабельных блоках-боксах размерами 3х12 и 3х6 м. В технологическом блоке располагаются: — сепаратор, располагается на «втором этаже», что обеспечивает создание силовым насосом гидростатического подпора около 1,5 м и позволяет разместить все остальное оборудование подгазосепаратором и рядом с ним; — центробежные насосы, позволяющие спокойно встраивать установку в систему сбора с давлением до 2,5 МПа, — гидроциклоны с циркуляцией рабочей жидкости, — многопоточный дозировочный насос, — емкость с запасом химреагентов. Для привода гидропоршневого насоса применяются трех- или пятиплунжерные насосы высокого давления со специальным исполнением гидроблока, рассчитанные на продолжительную непрерывную работу с минимальным обслуживанием. Техническая характеристика технологического блока : Вместимость сепаратора, м 3 . …………………………………16 Подача сепаратора, м 3 /с (м 3 /ч), не более………..……..……3,47·10 -3 (25) Давление в сепараторе, МПа, не более ………………………. 2,5 Коэффициент сепарации газа, не менее.. …...…………………0,98 Обводненность рабочей жидкости на выходе из сепаратора, % ……до 25 Число электронасосных агрегатов, включая резервный ……. 3 Давление нагнетания электронасосного агрегата, мПа не более. …20 Содержание механических примесей в рабочей жидкости г/л не более ... 0,032 Крупность зерна, не более, мкм. ………………………………25 Содержание свободного газа в рабочей жидкости на входе в силовой насос, %, не более…2 Число подключаемых скважин. ……………………………… 2-8 Рабочая жидкость распределяется по скважинам в необходимом количестве посредством гребенки с установкой на каждой линии, ведущей к скважине, регуляторов расхода и одного регулятора давления.Регулятор давления предназначен для предохранения рабочей гидросистемы от перегрузки и поддержания в ней установленного давления. Регулятор расхода обеспечивает постоянство расхода рабочей жидкости независимо от изменения давления на его входе и выходе.Оба регулятора—регуляторы непрямого действия. Основным регулирующим элементом служит золотник. Для нормальной работы золотника к качеству рабочей жидкости предъявляются следующие требования: — чистое масло 12-го класса чистоты по ГОСТ 17216—71, — содержание механических примесей не более 32 мг/л, — размер частичек не более 25 мкм. Пакерное устройство должно отвечать следующим требованиям: выдерживать заданный перепад давления сверху вниз; гидравлически устанавливаться и сниматься под давлением жидкости, подаваемой сверху по трубам; автоматически отсоединяться от труб после пакеровки; резиновые уплотнительные элементы пакера при его спуске не должны касаться поверхности обсадной колонны. В комплект пакерного устройства входит набор инструментов для подготовки внутренней поверхности обсадной колонны, извлечения пакера. Внутренний канал пакера рассчитан на то, чтобы под давлением жидкости создавался уплотнительный контакт с хвостовиком седла ГН, спускаемого после установки пакера в скважине. Если предполагается эксплуатация заканчиваемой скважины с применением гидропоршневого насоса, то патрубок для хвостовика седла можно устанавливать в обсадной колонне стационарно, что исключает необходимость применения пакера при монтаже установки ГН. Для откачки пластовой жидкости из скважин применяют гидропоршневые агрегаты сбрасываемого типа.  Рис. 7. Гидравлическая наземная станция установки гидропоршневых насосов: 1 — технологический блок, 2 — сепаратор, 3 — блок управления, 4 — комплектные устройства защиты и управления; 5 — распределительная гребенка; 6 — герметичный подпорный насос; 7 — гидроциклон; 8 — силовой насос: 9 — батарея пожаротушения; 10 — технологический блок в транспортном положении Заключение Нефтяной сектор остаётся важнейшим сектором российской экономики. При этом Россия играет одну из ведущих ролей по объёму производства и реализации нефти на международном рынке углеводородов. Нефтяной кризис 2020 г., вызвавший падение спроса и цен на нефть и нефтепродукты, нанёс серьёзный ущерб как отрасли в целом, так и компаниям, которые работают в сфере добычи, переработки, транспортировки и реализации углеводородов. Гидропоршневые насосы обладают всеми достоинствами гидропривода, а также многими преимуществами по сравнению с другими установками для механизированной добычи. Их применение не требует механических энергопередающих связей ( штанг, канатов, кабелей и т.п.); позволяет эксплуатировать скважины любой кривизны, регулировать величину отбора жидкости и создавать общий гидропривод для нескольких скважин. Кроме того, при этом можно использовать насос свободно-сбрасываемого типа: транспортировать глубинные приборы совместно с гидропоршневым насосом потоком жидкости; применять химические реагенты для первичной обработки добытой жидкости. Возможно исключение работы по глушению скважины при смене насоса. Список использованных источников 1. http://www.drillings.ru/gpnu 2. https://poznayka.org/s61961t1.html 3. http://proofoil.ru/Oilproduction/Hydraulicpump.html 4. В.В.Шайдаков, В.У.Ямалиев, Ф.Ш.Забиров , В.В.Костилевский “ Насосно-компрессорные трубы. Конструкция, эксплуатация, дефекты, ремонт” 5. https://ence-pumps.ru/nasosy_dlya_nefti/ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||