Лекция ТТДНГ. ЛЕК РУС (1). Конспект лекций по дисциплине Технология и техника добычи нефти и газа Образовательная программа 6В07203 Нефтегазовое дело
 Скачать 3.34 Mb.
|
Лекция 6. Бесштанговые гидропоршневые насосные установки.Одним из основных недостатков рассмотренных ранее штанговых скважинных насосных установок является использование для привода скважинного насоса колонны штанг – элемента с низкой прочностью, малой жесткостью, малой износо и коррозийной стойкостью, со значительным собственным весом. Эти недостатки не позволяют эксплуатировать ШСНУ в глубоких направленных скважинах. Для эксплуатации подобных скважин насосами объемного действия, его привод – объемный гидродвигатель возвратно-поступательного действия – устанавливают в непосредственной близости от скважинного насоса. Гидродвигатель приводится в действие потоком рабочей жидкости, закачиваемой силовым насосом, расположенным на поверхности. Конструктивно гидропоршневая насосная установка (ГПНУ) представляет собой: скважинный насос и гидродвигатель, объединенные в один насосный агрегат, колонны насосно-компрессорных труб, блок подготовки рабочей жидкости и насосный блок. Назначение этих элементов: насосный блок преобразует энергию приводного двигателя (эл. двигатели, ДВС) в механическую энергию потока рабочей жидкости; гидропоршневой погружной насосный агрегат преобразует энергию рабочей жидкости; система колонн НКТ является каналами для рабочей и пластовой жидкости; а блок подготовки рабочей жидкости служит для очистки пластовой жидкости от газа, песка и воды перед использованием её в качестве рабочей в силовом насосе. Гидропоршневые установки позволяют эксплуатировать скважины с динамическим уровнем до 4500 м, с max дебитом до 1200 м3/сут. при высоком содержании в пластовой жидкости воды (до 98%), песка (до 2%) и агрессивных компонентов. Основные схемы гидропоршеневых насосных установок. ГПНУ 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 по колонне НКТ – фиксированные или свободно сбрасываемые в скважину); По числу ГПНА, обслуживаемых одной наземной установкой (индивидуальные или групповые). Рассмотрим основные особенности установок. Тип принципиальной схемыциркуляции 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 по общему каналу.Недостатком первой схемы является большая металлоемкость, поскольку от устья к погружному агрегату необходимо спустить три герметичных трубопровода. Достоинством этой схемы являются незначительные потери, определяемые лишь утечками из системы привода. Установки с открытой схемой обладают меньшей металлоемкостью, т.к предполагают каналы только двух потоков жидкости – сверху вниз – рабочей, и снизу вверх – смеси рабочей и пластовой. Недостатком этой схемы является необходимость обработки большого количества рабочей жидкости.  Принципиальные схемы гидропоршневых насосных установок 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. Скважинный насос ( 5 ) забирает пластовую жидкость из скважины и по колонне труб ( 6 ) направляет её 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 ). По принципу действия скважинного насоса ГПНА существующие конструкции можно разделить на группы с насосами одинарного (а), двойного (б) и дифференциального действия (в).  Схемы насосов погружных агрегатов В агрегатах одинарного действия шток с двумя поршнями совершает возвратно-поступательное движение в результате попеременной подачи жидкости из напорного трубопровода в полости ( 3 , 4 ). Жидкость распределяется золотниковым устройством. В результате в насос одинарного действия при ходе поршня вверх пластовая жидкость через всасывающий клапан ( 1 ) попадает в полость ( 6 ), а при ходе поршня вниз вытесняется через нагнетательный клапан ( 2 ) в напорный трубопровод. 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 вытекает из полости ( 6 ) через клапан ( 2 ) и поступает в полость ( 5 ) через клапан ( 1 ). В агрегатах с насосом дифференциального действия поршень в насосе выполнен с расположенным в нем нагнетательным клапаном ( 2 ). При ходе поршня вниз нагнетательный клапан ( 1 ) закрыт, из полостей ( 5 , 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 ). По принципу действия гидродвигателяГПНА различаются дифференциального или двойного действия. Двигатель работает следующим образом: рабочая жидкость поступающая сверху непрерывным потоком, поступает во внутреннюю полость агрегата через отверстия в верхней части корпуса. Посредством золотника и системы сообщающихся каналов жидкость направляется в полости над и под поршнем, обеспечивая его перемещение вверх и вниз. По способу спуска ГПНА различаются : агрегаты спускаемые на колонне НКТ – фиксированные и так называемые свободные агрегаты. Первые жестко соединяются с колонной НКТ, что сопряжено с большими затратами времени. Для монтажа свободных агрегатов в нижней части труб устанавливается специальное седло, а на устье – ловитель и специальная обвязка, позволяющая изменить направление потоков в колоннах НКТ. (к слайду 8) Помимо перечисленных отличительных признаков установки выпускаются различным 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 ГПНА конструкции нижней части внутрискважинного оборудования могут быть различными. Использование ГПНА в сочетании с закрытой схемой усложняет внутрискважинное оборудование, т.к. требует дополнительного канала для рабочей жидкости. 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. Как правило применяются 3х –5ти плунжерные горизонтальные или вертикальные насосы мощность привода которых от 14 до 300 кВт, развиваемое давление до 35 МПа. Наземный агрегат может применятся как для привода одного ГПНА, так и для нескольких, расположенных в различных скважинах. Блок подготовки рабочей жидкости имеет параметры, обусловленные прежде всего, типом гидравлической схемы установки: открытой или закрытой. В качестве рабочей жидкости используют сырую нефть, после того как из неё удалены газ, вода и абразив. Схема простейшей установки для подготовки рабочей жидкости включает трёхфазный сепаратор, отделяющий свободный газ и воду от нефти и буферную ёмкость для хранения и отстаивания нефти. Гидропоршневые НУ относятся к группе сложных комплексов расчеты и принципы конструирования которых сложны. Создание новых установок ведется на основании опыта эксплуатации и на базе лабораторных и промысловых экспериментов. Интенсивное развитие способа добычи нефти ГПНА обусловлено высокой эффективностью его применения в осложненных условиях, на месторождениях разрабатываемых посредством наклонно-направленных скважин глубиной до 4500 м. с удалением забоя от устья в горизонтальном направлении до 2500 м. В настоящее время выпускают ГПНА более 60 типоразмеров. (к слайду 9) Бесштанговые центробежные и винтовые электронасосные установки. Необходимость увеличения отбора жидкости до 500700 м3/сут из скважин средней глубины подвески 10001300 м привела к применению для этой цели центробежных насосов. Эти насосы не требуют уменьшения промежуточных передач для уменьшения частоты вращения вала по сравнению с частотой вращения приводного двигателя, у них отсутствуют периодически работающие нагнетательные и всасывающие клапаны, нет пар трения, детали которых движутся возвратно-поступательно. В установке погружного центробежного насоса первичный двигатель располагается в скважине в непосредственной близости от многоступенчатого центробежного насоса. Это позволяет уменьшить длину механической трансмиссии и передать насосу значительные мощности (до 150 кВт). Эл. двигатель и насос объединяются в один агрегат подвешенный к колонне НКТ. Вдоль колонны НКТ проходит кабель, по которому эл.энергия подводится к двигателю. Установка погружного центробежного насоса состоит из погружного агрегата, включающего специальный погружной маслозаполненный эл. двигатель ( 1 ), протектор ( 2 ) и центробежный многоступенчатый насос ( 3 ).  Специальный кабель ( 4 ) прикрепленный к колонне НКТ ( 5 ) хомутами ( 6 ). С помощью устьевого оборудования ( 8 ), установленного на колонной головке эксплуатационной колонны ( 7 ), подвешена колонна НКТ. Рядом со скважиной устанавливается кабельный барабан ( 9 ) и автотрансформатор ( 10 ) со станцией управления ( 11 ). Установка центробежного насоса (К слайду 10) Центробежный насос обычно износостойкого или коррозионностойкого исполнения. Он представляет собой набор большого числа рабочих колес и направляющих аппаратов. Рабочие колеса установлены на валу, который опирается на подшипники, расположенные вместе с направляющими аппаратами внутри корпуса. Число ступеней насоса колеблется от 84 до 332 и если их не удается разместить в одном корпусе длиной 55,5 м. то их заключают в 2 или 3 корпуса. Погружной электродвигатель представляет собой трехфазный асинхронный короткозамкнутый двигатель, внутренняя полость которого заполнена маслом. Он состоит из корпуса, внутри которого размещены статор и ротор. Вал ротора установлен на подшипниках, масло циркулирует внутри двигателя с помощью турбины, смазывает подшипники и отводит тепло от источника нагрева к корпусу, который, в свою очередь, охлаждается пластовой жидкостью. Протектор служит для гидравлической защиты эл. двигателя от пластовой жидкости и обеспечивает компенсацию изменения объема масла при изменении его температуры. Кабельная линия обеспечивает подвод эл. энергии к погружному двигателю. Она состоит из основного кабеля круглого сечения , соединенного с ним плоского кабеля и муфты кабельного ввода. Кабель круглого сечения располагается вдоль НКТ от станции управления до погружного агрегата и проходящего мимо него кабеля. Станция управления служит для включения и выключения агрегата, контроля режима его работы. Трансформатор системы электроснабжения установок предназначен для повышения сетевого напряжения тока для необходимого рабочего напряжения эл. двигателя. Оборудование устья скважины – обеспечивает удержание навесу колонны НКТ вместе с агрегатом и кабелем, герметизацию затрубного пространства, установку приборов, отвод в манифольд продукции скважины и т.д. Методика выбора насосной установки. В методику подбора положен ряд критериев, прежде всего экономический – обеспечение min затрат на добычу 1 т, при этом необходимо учитывать фактор надежности. Помимо перечисленных критериев, вариант должен отвечать условиям освоения скважины заглушенной водой. Это условие необходимо при возбуждении скважины снижением уровня жидкости и созданием напора. Считается, что максимальный напор может превышать оптимальный в 1,21,5 раза. В первом приближении типоразмер насоса, а он в дальнейшем определяет параметры всех остальных узлов, можно выбрать из условия соответствия его подачи и напора, требуемых по условиям эксплуатации скважины. Винтовые электронасосы. Существенным недостатком центробежных насосов является низкая эффективность при работе в скважинах с дебитами ниже 60 м3/сут и с маленьким диаметром эксплуатационных колонн. Электровинтовые насосы скомпонованы аналогично УЦЭН, но вместо гидродинамического центробежного насоса используют объемный – винтовой насос. Принцип действия винтовых насосов заключается в том, что винт насоса и его обойма образуют по всей длине ряд замкнутых полостей, которые при вращении винтов передвигаются от –приема насоса к его выкиду. В начальный момент каждая полость сообщается с областью приема насоса, при продвижении вдоль оси насоса её объем увеличивается, заполняясь перекачиваемой жидкостью, после чего становится полностью замкнутым. У выкида объем полости сообщается с полостью нагнетания, постепенно уменьшается, а жидкость выталкивается в трубопровод. Винтовые насосы могут быть с несколькими или с одним винтом. У одновинтового насоса замкнутая полость образуется одним металлическим винтом и резиновой обоймой. Винт имеет однозаходную плавную нарезку с весьма большим отношением длины винта к глубине нарезки (1530). Обойма насоса имеет внутреннюю поверхность соответствующую двухзаходному винту, у которого шаг винтовой поверхности равен удвоенному шагу винта насоса. Винт вращается вокруг своей оси по окружности с радиусом равным её эксцентриситету. Для увеличения долговечности насоса винт изготавливают из стали с покрытием хромом, обойму – из маслотермостойкой резины с высоким сопротивлением абразивному изнашиванию. Винтовой насос подвешивается в скважине по НКТ вместе с протектором и эл. двигателем и токоподводящим кабелем. Все элементы эл. привода у одновинтового насоса такие же, как и у центробежного насоса. Одновинтовые насосы для добычи нефти, расчитаны для подачи 40, 80, 100 м3/сут. и напором 800 и 1400 м для применения в 146 и 168 мм колоннах. КПД насосов в пределах 0,40,7. Вязкость нефти не уменьшает КПД. Насосы работают от двигателей с 28003000 об/мин.  Схема винтового скважинного насоса |