Насосные установки. Принцип действия(в таблице)
advertisement
Насосные установки. Насосы. Принцип действия. Насос Турбонасосные установки Принцип действия Турбонасосный агрегат включает в себя лопастную турбину, вал которой соединен с валом центробежного насоса. Турбина приводится в действие при закачке в нее с поверхности рабочей жидкости. Центробежный насос отбирает из скважины жидкость и нагнетает ее на поверхность. Рабочая жидкость, отработавшая в турбине, выходит в тот же канал, что и добытая жидкость, и в смеси с ней поднимается на поверхность. На поверхности смесь разделяется, и добытая жидкость с нефтью идет в промысловую сеть, а рабочая жидкость (в большинстве случаев вода) поступает в поверхностный насос и далее в скважину для привода погружной турбины. Турбонасосная установка для добычи нефти. 1 — система очистки и подготовки рабочей жидкости; 2 — силовой насос; 3 — устьевая арматура; 4 — скважина; 5 — колонна труб; 6 — турбина; 7 — центробежный насос; 8 — пакер Гидропоршневая Гидропоршневая насосная установка 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 возвратнопоступательные 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. Гидроимпульсные насосные установки Процесс работы гидротаранной установки включает следующее: Гидравлический таран является водоподъемником в котором двигатель и насос объединены в одной машине очень простой конструкции, к тому же работающей автоматически. Движущиеся части тарана — два клапана — установлены так, что повышение давления в питательной трубе закрывает ударный клапан и открывает нагнетательный, а понижение давления действует в обратном порядке. Смысл работы тарана в том, что он поднимает объем воды Q2 на высоту Н2, используя энергию объема жидкости Q, находящегося на высоте Н1 < Н2. При этом объем воды Q[ выливается наружу. Следовательно, таран, нагнетая воду, работает тоже водой, и для действия его необходим в единицу времени объем воды , Q=Q, + QV, расположенный выше тарана на Я, метров. Из всего поглощенного объема воды таран нагнетает только некоторую часть. Элементы таранной установки — нагнетательный клапан,воздушный колпак и нагнетательная труба — являются обычными частями почти любой насосной установки. Работа их достаточно изучена и не представляет специального интереса. Элементами, характеризующими гидравлический таран, как особую водоподъемную машину и присущими всякой таранной установке, являются питательная труба и ударный клапан. Именно они предопределяют количественные и качественные показатели работы всей установки. Теория тарана по существу сводится к выявлению работы этих элементов. Следует усвоить, что питательная труба не является просто проводящей трубой, а есть неотъемлемая рабочая часть машины, а размеры ее не могут быть произвольны. 4. Полный цикл работы тарана ясно разделяется на два характерных периода. В первый — период разгона — жидкость в питательной трубе приобретает необходимую скорость Vv т.е. разгоняется. Во второй — период нагнетания — происходит нагнетание жидкости из питательной трубы в колпак тарана под давлением Н за счет потери скорости Vr. Схемы гидроимпульсной насосной установки: а — общий вид установки; б — скважинного агрегата; в — управления распределительным клапаном; г — эффективного привода распределительного клапана УГИН При работе поверхностного вибратора колонна труб совершает Вибрационные возвратно-поступательное движение в вертикальном направлении. Если насосные установки ускорение, сообщаемое трубам и заполняющей их жидкости, достаточно велико, то да некоторых участках пути сила инерции жидкости превышает сумму сил тяжести и трения. Равнодействующая всех сил, приложенных к жидкости, будет направлена вверх, и жидкость начнет перемещаться относительно труб, поднимаясь на поверхность. Расчетная подача установки колеблется в пределах 2—150 м3/сут. Винтовые насосные Перекачивание жидкости происходит за счёт перемещения её вдоль оси винта в камере, установки образованной винтовыми канавками и поверхностью корпуса. Винты, входя винтовыми выступами в канавки смежного винта, создают замкнутое пространство, не позволяя жидкости перемещаться назад. __________________________ Рабочие органы представляют собой винтовую пару с внутренним зацеплением. Подвижный элемент рабочей пары, винт (ротор), совершает планетарное движение в обойме (статоре). Обойма имеет внутреннюю винтовую поверхность с шагом в два раза больше шага винта. Находясь в постоянном контакте, обойма и винт образуют несколько замкнутых полостей по длине винт - обойма. При вращении винта полость со стороны всасывания увеличивается в объеме и в ней создается разряжение, под действием которого осуществляется заполнение полости транспортируемой средой. Дальнейшее вращение винта перемещает отсеченные объемы транспортируемой среды в сторону нагнетания. При установленной частоте вращения винта скорость движения транспортируемой среды Схема погружного одновинтового насоса и производительность, которую имеют насосы 1 — Н КТ; 2 — предохранительный винтовые (насос NM и другие) в клапан; 3,9 — фильтр; 4 — левая обойма; процессе работы, постоянна, т.к. 5 — левый винт; 6, 10 — шарнирная муфнеизменно проходное сечение та; 7,8 — правая обойма; 11 — вал; 12 — винтом и обоймой. центробежная кулачковая муфта Установка скважинного диафрагменного насоса состоит из Диафрагменные погружного насосного агрегата (насоса и электропривода), спущенного в насосные установки скважину на НКТ, кабеля, идущего рядом с трубами, спускного клапана, встроенного в колонну НКТ, оборудования устья и станции управления, размещенной на поверхности. У погружного агрегата имеются нагнетательный 1 и всасывающий 2 клапаны, диафрагма 3, пружина 4 и поршень 5. Под поршнем находится эксцентрик 6, приводимый во вращение угловой зубчатой передачей 7. Ниже находятся электродвигатель 8 и компенсационная диафрагма 9. Полость А над поршнем и полость Б у привода заполнены маслом. Полость А имеет строго определенный объем масла. Утечки масла из этой полости (например, через зазор у поршня 5 и цилиндра, в котором ходит поршень) восполняются через специальный клапан, размещенный в корпусе цилиндра. Так же выпускаются излишки масла из полости А. Работой этих клапанов управляет вспомогательный поршенек, соединенный толкателем с диафрагмой. Погружной агрегат работает следующим образом. При вращение вала двигателя и угловой зубчатой передачи эксцентрик 6 вращается и поршень 5, прижатый к эксцентрику пружиной 4, перемещается вверх и вниз. На схеме показано верхнее положение поршня. Поскольку объем А неизменен, при ходе поршня вниз масло будет заполнять освобождаемое поршнем пространство, а диафрагма 3 опустится (нижнее положение диафрагмы отмечено пунктиром). Создается понижение давления в рабочей полости насоса под клапанами и происходит всасывание жидкости из скважины. Когда при дальнейшем вращении эксцентрика он подвинет поршень вверх, масло надавит на диафрагму и переместит ее в верхнее положение. Произойдет нагнетание жидкости через клапан 1 в НКТ. Таким образом, перекачиваемая жидкость соприкасается только с клапанами, диафрагмой и стенками рабочей полости. Изменение объема полости Б из-за движения поршня 5 компенсируется диафрагмой 9. УЭЦН Насос является динамическим. Перекачиваемая жидкость получает кинетическую энергию из-за вращения рабочего колеса насоса (со скоростью 3000 об/мин). После чего, кинетическая энергия потока преобразуется в потенциальную энергию давления в направляющем аппарате. Подача Q = 40 м3/сут – 2000 м3/сут; Напор Н – до 3000-3500 м (но реально 1200-1600, 2000); Мощность N – до 500 кВт; УЭЦН используется для вертикальных и наклоннонаправленных Установка погружного центробежного насоса скважин, но в 1 — оборудование устья скважин; 2 — пункт зоне с подключательный выносной; 3 — относительно трансформаторная комплексная подстанция; 4 небольшим — клапан спускной; 5 — клапан обратный; 6 — модуль-головка; 7 — кабель; 8 — модульнабором секция; 9 — модуль насосный кривизны; газосепараторный; 10 — модуль исходный; 11 — протектор; 12 — электродвигатель; 13 — система термоманометрическая. Преимущества и недостатки насосных установок Насос Преимущества ТУРБОНАСОСНЫЕ УСТАНОВКИ Возможность отбора больших количеств жидкости из скважины при достаточно высокой эффективности (КПД около 0,3—0,25). При этом возможна эксплуатация наклонно-направленных скважин. Установка может быть выполнена сбрасываемой в скважину при увеличенной частоте вращения вала. Это существенно снижает объем ремонтных работ на скважине. Кроме этого, турбонасосы имеют следующие преимущества: отсутствие погружного электродвигателя и кабеля исключает все сложности выполнения спускоподъемных операций в скважинах со значительной кривизной ствола, позволяет использовать турбонасосы для подъема жидкостей с высокими температурами, в том числе из геотермальных скважин; незначительная габаритная длина скважинного агрегата по сравнению с электроприводными центробежными насосами дает возможность применять его в скважинах с большой интенсивностью набора кривизны, облегчает транспортные и монтажные, работы; отсутствие клапанов в скважинном насосном агрегате обусловливает использование турбонасоса практически, без ограничений по кривизне ствола скважин вплоть до горизонтальных; подшипники насоса и турбины гидростатического типа, что обеспечивает прочную и надежную работу опоры ротора агрегата; смазка подшипников выполняется предварительно очищенной и подготовленной жидкостью, что защищает подшипники от воздействия абразивных компонентов скважинной жидкости; гибкость регулирования рабочих характеристик, широкий рабочий диапазон плавного изменения подачи насоса; возможность применения скважинного турбонасосного агрегата сбрасываемого типа; неограниченность глубины спуска турбонасоса; в скважину могут вводиться различные химические реагенты, ингибиторы коррозии, деэмульгаторы и др.; можно применить различные методы глушения скважин перед подземным ремонтом, в том числе при нахождении турбонасосного агрегата в скважине. Недостатки Большие объемы рабочей жидкости, закачиваемой в скважину, требуют обустройства ее каналами со значительными проходными сечениями. В скважинах с обсадными колоннами диаметром 146 и 168 мм это трудновыполнимо. На поверхности необходимо организовать очистку и подготовку больших количеств рабочей жидкости, что приводит к установке металлоемкого оборудования, требует затрат на его обслуживание. Необходимость очистки, дегазации и подготовки большого количества жидкости, что приводит к увеличению металлоемкости поверхностного оборудования и соответственно к увеличению капитальных и эксплуатационных затрат на обслуживание. Гидропоршневая насосная установка 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 свободносбрасываемого 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. Основные части ГПНУ имеют достаточно высокий КПД, что выгодно отличает установку гидропоршневого насоса от глубинных насосов других типов. Положительная особенность гидропоршневых установок — возможность с поверхности регулировать количество отбираемой из скважины жидкости, изменяя количество рабочей жидкости, закачиваемой к приводу, и меняя, таким образом, режим работы погружного агрегата. Скважинные гидропоршневые установки хорошо приспособлены для эксплуатации наклонно направленных скважин, так как они не имеют движущейся возвратно-поступательно штанговой колонны (как у штанговых насосов) и кабеля рядом с трубами, который повреждается при спуске агрегата (как у установок скважинных насосов с электроприводом). ГИДРОИМПУЛЬСНЫЕ НАСОСНЫЕ УСТАНОВКИ Относительно высокие КПД и подача гидроимпульсных установок, особенно на больших глубинах порядка 3000 м, свидетельствуют об их перспективности в нефтяной отрасли. Отсутствие ограничения на наличие свободного газа на приеме выгодно отличает ГНИ от штанговых или центробежных скважинных насосов. Еще одной особенностью ГИНа является амплитуда колебания импульсов давления (20—80 атм.) и частота их следования (5—30 ударов в секунду),которые позволяют предположить, что все загрязняющие материалы будут выноситься из призабойной зоны пласта. Таким образом происходит откачка жидкости из пласта при одновременном импульсном воздействии на пористый коллектор. 1) отсутствие в стволе скважины длинной механической связи глубинного агрегата с наземным приводом (ШСНУ) или электрокабеля (УЭЦН); 2) возможность использования потоков рабочей жидкости не только для передачи энергии для привода забойного агрегата, но и для проведения многих технологических операций, например, передачи к забою химических реагентов, тепла, растворителей и т.д.; 3) возможность осуществления наземного группового привода на кустах скважин, что позволяет увеличить технологические возможности. Наличие сложного поверхностного оборудования, особенно при необходимости подготовки рабочей жидкости, обслуживание которого довольно трудоемко. Однако большой КПД установки, облегчение спуска-подъема агрегата, приспособленность к работе в усложненных условиях эксплуатации стимулируют его применение. Недостатком первой схемы является большая металлоемкость, поскольку от устья к погружному агрегату необходимо спустить три герметичных трубопровода: для подачи рабочей жидкости к агрегату, для ее отвода и для подъема пластовой жидкости. Недостатком этой системы является необходимость обработки большого количества рабочей жидкости, что требует применения сложных и высокопроизводительных систем для ее подготовки. К очевидным недостаткам можно отнести неотработанность конструкций гидроимпульсных насосных установок. ВИНТОВЫЕ НАСОСНЫЕ УСТАНОВКИ Как показывает промысловый опыт, установки ЭВН следует внедрять преимущественно в таких районах, где эксплуатация Другого оборудования малоэффективна или совсем невозможна. Винтовые насосы лучше всего подходят для подач 10—200 м3/сут с напором, не превышающем 1500 м. В силу конструктивных особенностей эти насосы наиболее эффективны при добыче вязкой нефти, а также при наличии в нефти песка и попутного газа. Отсутствие в винтовых насосах клапанных узлов, малая длина самих насосов и их роторов позволяют работать этому виду оборудования в практически горизонтальных скважинах и при больших темпах набора кривизны. Главное преимущество погружных винтовых насосов по сравнению с погружными центробежными состоит в том, что с повышением вязкости до определенных пределов (200 сП) параметры насоса остаются практически неизменными, в то время как параметры центробежного насоса с увеличением вязкости резко снижаются. А при вязкости более 200 сП эксплуатация погружных центробежных насосов становится невозможной. Следует отметить, что одним из осложняющих факторов добычи нефти является повышенное газосодержание пластовой жидкости. В данных условиях эффективно применять винтовые насосы, так как наличие 50 % свободного газа на приеме насоса не вызывает снижения его рабочих характеристик. Винтовые насосы также эффективно применять в искривленных скважинах. Вопервых, угол наклона ствола скважины в месте установки винтового насоса не влияет на его рабочие параметры. Во-вторых, установки ЭВН имеют незначительную длину, что облегчает прохождение скважинного агрегата по наклонно-направленной скважине. ДИАФРАГМЕННЫЕ НАСОСНЫЕ УСТАНОВКИ Эти насосы позволяют добывать нефть с высокими технико-экономическими показателями из так называемых «песочных» скважин (с содержанием песка до 5 г/л), а также из скважин, продукция которых содержит агрессивные компоненты. Установка проста в монтаже и обслуживании. Однако наличие резиновой обоймы накладывает температурные ограничения на область применения винтовых насосов. Для насосов УЭВН температура откачиваемой жидкости должна быть ниже 90 "С. Кроме того, установка имеет недостаточную гибкость по изменению производительности, поэтому для эффективной эксплуатации малодебитных скважин винтовыми насосами необходим выпуск либо большого числа типоразмеров насоса, либо насоса с регулируемой производительностью. Все это ведет к увеличению стоимости установки, а при малых подачах приводит к значительному снижению экономической эффективности. сложность и высокая стоимость изготовления насоса; нерегулируемость рабочего объёма; так же, как и другие виды объёмных насосов, винтовые нельзя пускать вхолостую без перекачиваемой жидкости, так как в этом случае повышается коэффициент трения деталей насоса и ухудшаются условия охлаждения; в результате насос может перегреться и выйти из строя. К недостаткам данного вида оборудования можно отнести очень узкую область применения по подачам и напорам. При подаче 4 м3/сут напор насоса составляет 2000 м, а при подаче 20 м3/сут — всего 600 м. УЭЦН ЭЦН имеют очень большой диапазон подач — от 10 до 1000 м3/сутки и более способны развивать напор до 3500 м. В области больших подач (свыше 80 м3/сут) УЭЦН имеют самый высокий КПД среди всех механизированных способов добычи нефти. В интервале подач от 50 до 300 мУсут КПД УЭЦН превышает 40%. По возможности организации дистанционного контроля состояния, а также регулирования производительности ЭЦН существенно превосходит штанговые установки. Также установки ЭЦН меньше подвержены влиянию кривизны ствола скважины. В области небольших подач КПД УЭЦН резко падает. Таким образом, проанализировав опыт применения ЭЦН, можно выделить следующие основные аспекты: 1. Применение ЭЦН в малодебитных скважинах возможно только в режиме периодической эксплуатации, что отрицательно сказывается и на оборудовании, и на скважине. 2. Существует целый ряд факторов, которые вызывают появление осложнений при эксплуатации скважин с применением ЭЦН. Насос ВИБРАЦИОННЫЕ НАСОСНЫЕ УСТАНОВКИ 1) 2) 3) 4) Преимущества простота конструкции скважинного оборудования, отсутствие в нем трущихся или вращающихся рабочих пар, небольшие габариты достаточно высокие значения КПД. Недостатки Применение вибрационного насоса в скважине ведет к следующим последствиям: 1. При постоянной вибрации в скважине песчинки вокруг нее постоянно находятся в движении. Конус фильтрации практически не формируется. Мелкие песчинки не заклиниваются в зазорах более крупных, а постепенно обтекая вибрирующие крупные, подходят к сетке, проходят сквозь нее и накапливаются в скважине. Со временем в скважине образуется песчаная пробка. Когда она заполняет собой весь объем фильтровой части, дебит скважины резко падает. 2. Если в скважине установлен фильтр не заводского изготовления, а самодельный (а таких скважин большинство), то при обматывании сетки прижимающей ее проволокой всегда имеет место слабина из-за неплотного наматывания сетки на обсадную трубу и из-за неизбежной кривизны проволоки, применяемой для намотки. Из-за постоянной вибрации в скважине постепенно кривизна проволоки и сетки распрямляется, и образуются щели между сеткой и обсадной трубой. Как правило, такие щели образуются в верхней части фильтра, через них вместе с водой в скважину начинает поступать песок. Он быстро заполняет собой весь объем фильтра, и дебит скважины падает. Указанная причина является одной из основных проблем для скважин, начавших песковать в течение первых трех-четырех лет эксплуатации. 3. Если прибурении скважины были использованы не свинчивающиеся, а свариваемые трубы, то в местах некачественной их сварки песок течет сквозь щель в скважину, а конус фильтрации, способный образовать свод вокруг щели и перекрыть доступ песка, образоваться не может из-за постоянной вибрации в скважине. Этот же эффект наблюдается и в случаях, когда из-за большого возраста скважины ее обсадная труба в некоторых местах прогнила насквозь, и держится "на ржавчине". Если с другим насосом такие скважины можно использовать еще много лет, то использование вибрационного насоса сразу и навсегда их губит. 4. В завершение перечня можно привести совершенно анекдотический случай, всего один раз бывший в нашей практике: вибрационный насос, с которого слетело штатное противовибрационное резиновое кольцо, касался своим корпусом обсадной трубы в скважине. За 5 лет эксплуатации он протер свой корпус насквозь, протер свой двигатель (!) до пакета стальных пластин, несмотря на это продолжал работать, истер на треть сам пакет стальных пластин. И наконец протер обсадную трубу скважины насквозь.
