ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 29.04.2024
Просмотров: 66
Скачиваний: 0
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Оборудование для эксплуатации скважин насосами с механическим приводом
В основу рассматриваемого способа эксплуатации скважин положено использование обычного насоса спускаемого в скважину и приводимого в действие приводом, расположенным на поверхности. Весь комплекс оборудования называют штанговой насосной скважинной установкой (ШСНУ). Основные её параметры: подача – количество жидкости в ед. времени, развиваемое давление – с учетом глубины скважины и пластового давления, КПД ШСНУ и надежность, масса установки. Рациональная область применения ШСНУ: подача – 100 120 м3/сут., глубина подвески 1500 1800 м.
Штанговые скважинные насосные установки и их основные элементы
Насосная установка состоит из привода, устьевого оборудования, колонны насосных штанг, колонны насосно-компрессорных труб, скважинного насоса и вспомогательного оборудования.
Привод предназначен для преобразования энергии двигателя в механическую энергию колонны насосных штанг, двигающихся возвратно-поступательно.
Колонна насосных штанг представляет собой стержень, состоящий из отдельных штанг, соединенных резьбовыми соединениями. Колонна НШ передает механическую энергию от привода к скважинному насосу.
Скважинный насос преобразует механическую энергию движущихся штанг в механическую энергию откачиваемой жидкости.
Колонна НКТ служит каналом для подъема откачиваемой пластовой жидкости и обеспечивает удержание по весу скважинного насоса.
Устьевое оборудование герметизирует внутреннюю полость колонны НКТ, обеспечивает её соединение с нефтепромысловым коллектором, фиксирует верх колонны НКТ.
Вспомогательное подземное оборудование устанавливается в зависимости от особенностей каждой скважины. В комплект могут входить газовые и песочные якори, отсекатели пласта.
Штанговый скважинный насос представляет собой насос одинарного действия. Состоит из цилиндра, соединенного с колонной НКТ; плунжера соединенного с колонной штанг, нагнетательного клапана установленного на плунжере и всасывающего установленного в цилиндре.
Схемы штанговых трубных насосов
1- кожух клапана; 2 – муфты; 3 – втулки; 4 – кожух; 5 – плунжер; 6 – выходной клапан; 7 – захват клапана; 8 – крестовина; 9 – выходной клапан
При работе ШСНУ энергия от эл. двигателя передается через редуктор к кривошипно-шатунному механизму, преобразующему вращательное движение вала редуктора через балансир с головкой в возвратно-поступательное движение колонны штанг. Связанный с колонной плунжер также совершает возвратно-поступательное движение. При ходе плунжера вверх нагнетательный клапан закрыт давлением жидкости, находящейся над плунжером, которая по колонне НКТ двигается вверх – происходит её откачивание. В это время впускной всасывающий клапан открыт и жидкость заполняет объем цилиндра насоса над плунжером. При ходе плунжера вниз всасывающий клапан закрывается, нагнетательный открывается, и жидкость перетекает в надплунжерное пространство.
Приводы штангового скважинного насоса
Привод ШСН состоит из силового органа, уравновешивающего устройства и собственно привода. Силовой орган предназначен для перемещения колонны штанг и может быть механическим, состоящим из системы рычагов, накатов, блоков; гидравлическим – с использованием гидро- и пневмоцилиндров. Собственно привод включает двигатель и передачу.
Выполнение функции создания оптимального режима работы приводного двигателя возлагается на уравновешивающее устройство, которое накапливает потенциальную энергию колонны штанг при ходе её вниз и отдает при ходе вверх. Мощность двигателя приводящего в действие неуравновешенную установку в 412 раз больше мощности двигателя установки полностью уравновешенной. Приводы ШСН делятся по max нагрузке в точке подвеса штанг, по длине хода точки подвеса штанг, по величине потребляемой мощности.
Штанговые скважинные насосы
ШСН приводится в действие колонной штанг и работает в условиях абразивной среды, химически активных веществ, больших температур. Основной задачей в области конструирования насосов является увеличение их надежности и повышение эксплуатационных показателей.
По способу крепления в колонне НКТ насосы делятся на невставные (трубные) и вставные. Цилиндр трубного насоса присоединяется к колонне НКТ и вместе с ней спускается в скважину. Цилиндр вставного насоса спускается внутри труб по колонне штанг и монтируется с помощью специального замкового устройства. Это позволяет менять насос без подъема НКТ.
Основные схемы трубных насосов
Основные схемы вставных насосов
Основные узлы насоса следующие:
Цилиндр – может быть изготовлен из одной трубы и собран из отдельных втулок. Каждая из конструкций имеет свои преимущества и недостатки: цилиндр из цельной трубы трудно изготовить, он дорогой, но зато удобен в эксплуатации. Цилиндр собранный из втулок – дешевле в изготовлении, однако в процессе эксплуатации его соосность нарушается.
Конструкция плунжеров скважинных насосов
а – гладкий; б – с кольцевыми канавками; в – с винтовой канавкой; г – пескобрей.
Плунжер – представляет собой трубу, наружная рабочая поверхность которой обработана с высокой чистотой и точностью.
Манжетный плунжер
1- корпус плунжера; 2 – резиновой кольцо; 3 – набухающие резиновые кольца.
Нагнетательный клапан. Основой конструкций нагнетательных и всасывающих клапанов является седло клапана и шарик. Седла клапанов изготавливаются из стали марок 30Х13, 35Х18 или твердого сплава ВК68.
Клапанные узлы скважинных насосов
а—насоса НГН1; б—насоса НГН2, в — насоса НГНЗ; 1— корпус, 2 — стакан- 3 — шарик, 4 — седло; 5 — наконечник-конус; г — конструкция Костыченко
Шаровые клапаны
а – с буртом; б – с гладкой наружной поверхностью
Насосные штанги и трубы
Колонна штанг обеспечивает кинематическую связь силового органа с плунжером скважинного насоса. Колонна штанг работает в очень тяжелых условиях она подвергается действию циклически изменяющейся нагрузки: в верхней части пульсирующая, в нижней – знакопеременная, она погружена в корозиоактивную жидкость. Её боковые поверхности изнашиваются за счет искривления скважины и абразивного износа.
Конструкция насосных штанг и муфт
Требуемая долговечность колонны штанг достигается улучшением конструкции колонны, применением хороших технологий изготовления штанг, использованием прочных сталей, обеспечением легкого режима эксплуатации.
Расчет колонны штанг сводиться к определению величины и характера изменения нагрузки на них, выбора расчетной формулы соответствующей условиям работы штанг и определению допускаемых напряжений, обуславливающих надежную работу колонны штанг. расчет колонны штанг производится либо по эмпирическим формулам, либо по специально составленным таблицам, либо по номограммам. Насосные штанги выпускаются диаметрами: 12, 16, 19, 22, 25 мм. Средняя длина штанг 8м. Резьба штанг накатывается. Штанги и муфты делаются из Ст.40 для легких условий работы, для сложных условий – из легированных сталей с последующим поверхностным упрочнением.
Существуют трубчатые штанги. Их использование уменьшает металлоемкость внутрискважинного оборудования за счет исключения колонны НКТ, уменьшает пиковые нагрузки в точке подвеса за счет увеличения плавучести колонны штанг. Позволяет проведение некоторых технологических операций. Однако их производство сложнее и металлоемкость и стоимость больше. В ШСНУ применяются НКТ с гладкими и высаженными наружу концами групп прочности К, Е, Л, Н, на трубах и муфтах резьба –600, конус 1:16.
Схема установки с трубчатыми штангами
1 — канатная подвеска; 2 — узел крепления штанг; 3 — трубчатая штанга; 4 — боковой отвод; 5 — фланцевое соединение; 6 — гибкий шланг; 7 — коллектор
Оборудование устья насосных скважин
Оборудование устья насосных скважин предназначено для герметизации внутренней полости НКТ и эксплуатационной колонны, состоит:
-
Крестовик для подвески НКТ и герметизации затрубного пространства; -
Устьевой сальник с шаровой головкой для уплотнения сальникового штопа скважин, эксплуатируемых штанговыми насосами.
Сальник устьевой
Лекция 5 «Оборудование для добычи НиГ»
Механический привод штанговых скважинных насосных установок
Типы механических приводов
Наибольшее распространение в промышленности получили механические приводы скважинного насоса. Известны индивидуальные механические приводы и групповые приводы для эксплуатации нескольких скважин.
Приводы первого типа включают двигатель, трансмиссию – преобразующий механизм и обеспечивают движение только одной колонны насосных штанг. В настоящее время почти все приводы ШСН относятся к этому типу.
Приводы второго типа служат для эксплуатации группы (240) скважин, расположенных близко друг от друга и имеющих сопоставимые параметры.
В индивидуальном механическом приводе трансмиссия уменьшает частоту вращения вала двигателя до числа оборотов, соответствующего числу двойных ходов точки подвеса штанг. По видам преобразующих элементов механические приводы делятся на 2 группы: балансирные и безбалансирные. В первых – возвратно-поступательное движение точки подвеса штанг достигается использованием качающегося рычага-балансира, который соединяется с выходным валом трансмиссии посредством кривошипно-шатунного механизма.
В безбалансирных приводах возвратно-поступательное движение точки подвеса штанг обеспечивается за счет использования механизмов с гибкими элементами (канаты или цепи).
Балансирные станки - качалки
Станки - качалки с двуплечным балансиром выполняются по кинематической схеме
Кинематическая схема станка-качалки с двуплечным балансиром при этом опора балансира ( ) находится между точками подвеса штанг ( ) и сочленения балансира с шатуном ( ).
Механические балансирные станки - качалки снабжаются грузовым или пневматическим уравновешивающим устройством. Существуют следующие способы размещения уравновешивающего груза: на балансире, на кривошипе, на балансире с кривошипом, на шатуне. Соответственно приводы называют: станки – качалки с балансирным, роторным, комбинированным и шатунным уравновешиванием. Действующими в настоящее время стандартами предусмотрено изготовление станков-качалок первых трех типов.
Способы механического уравновешивания двуплечных балансирных станков-качалок: а — балансирное уравновешивание; б — кривошипное (роторное) уравновешивание; в — комбинированное уравновешивание; г — уравновешивание с помощью ложной качалки; д —уравновешивание противовесом, вращающимся с двойной частотой; е —шатунное уравновешивание
Станки-качалки с одноплечным балансиром выполняются по кинематической схеме на которой расположена опора ( ) на закрепленном конце балансира, а точки соединения шатуна с балансиром ( ) – между соединением штанг с балансиром и опорой.
Кинематическая схема станка-качалки с одноплечным балансиром
Станки-качалки с одноплечным балансиром уравновешиваются грузовым или пневматическим аккумулятором. В первом случае груз может монтироваться на балансире, кривошипе или одновременно на балансире и кривошипе. Пневматическое уравновешивающее устройство выполняется в виде моноблока – пневмоцилиндрический гидрозатвор, рессивер, компрессор, масляный насос, КИП. В нашем хозяйстве станки-качалки с одиночным балансиром распространения не получили. В используемых конструкциях установок сочленение балансира с устьевым штоком колонны штанг обеспечиваются канатной подвеской, взаимодействующей с дуговой головкой.
Способы механического уравновешивания одноплечных балансирных станков-качалок а — балансирное уравновешивание; 6 — кривошипное уравновешивание (роторное); в — комбинированное уравновешивание
Безбалансирные механические приводы
Наиболее близкой к таким установкам является станок-качалка в котором балансир и шатун заменяются канатом, переброшенным через шкив, причем один конец его соединяется с кривошипом, а второй – с устьевым штопом. Кривошипы безбалансирных станков-качалок имеют V-образную форму, обеспечивающую уравновешивание привода.
Способы пневматического уравновешивания балансирных станков –качалок а – с подвижным поршнем без гидравлического затвора; б – с подвижным цилиндром без гидравлического затвора; в – с подвижным поршнем и гидравлическим затвором; г – с подвижным цилиндром с гидравлическим затвором.
Безбалансирный станок – качалка
Безбалансирный длиноходовой станок – качалка
Особенности кинаметики балансирного станка - качалки
Механическая трансмиссия и четырехзвенный преобразующий механизм предопределяют однозначную связь между законами движения ведущего и ведомого звеньев. При этом каждое положение точки подвеса штанг характеризуется вполне определенными скоростями и ускорениями, которые зависят только от размеров или же от соотношения размеров отдельных звеньев трансмиссии, преобразующего механизма. К кинематическим особенностям станка-качалки относится влияние направления вращения кривошипа на скорости и ускорения точки подвеса штанг. при повороте кривошипа на один и тот же угол по часовой или против часовой стрелки ускорения различны и в первом случае меньше, чем во втором.
Отечественные станки-качалки выпускаются с соблюдением условия Vвн=Vн.
Усилия действующие в точке подвеса штанг станка-качалки
В процессе работы ШСНУ в точке подвеса штанг действуют постоянные и переменные нагрузки. Постоянные:
-
Вес колонны штанг в жидкости – РШ. -
Гидростатическая нагрузка –РЖ обусловленная разницей давлений жидкости над и под плунжером скважинного насоса.
Переменные:
-
Инерционная нагрузка РИ обусловленная переменной по величине и направлению скоростью движения колонны штанг. -
Вибрационная нагрузка РВИБ обусловленная колебательными процессами в колонне штанг под действием ударного приложения и снятия гидростатической нагрузки РЖ на плунжер. -
Силы трения, возникающие в результате взаимодействия колонны штанг и НКТ-РТР М; обтекания пластовой жидкостью колонны штанг РТР Г; взаимодействия плунжера и цилиндра скважинного насоса РТР ПЛ; перепада давления в клапанах насоса РКЛ обусловленного их гидравлическим сопротивлением.
Все эти силы изменяются в течении одного цикла работы. В общем виде усилия в точке подвеса штанг при её ходе вверх РВ и вниз РН будут:
РВ = РШ +РЖ +РИВ +РВИБВ +РТР М + РТР Г +РТРПЛ + РКЛВ
РН = РШ –(РИН +РВИБН +РТР М + РТР Г +РТРПЛ + РКЛН)
Уравновешивание балансирных станков качалок
Основное назначение уравновешивающего устройства – накопление потенциальной энергии при ходе штанг вниз и отдаче её при ходе вверх. Потенциальная энергия превращается в работу, которая вместе с работой, совершаемой приводным двигателем, расходуется на перемещение точки подвеса штанги вверх. Задача уравновешивания привода скважинного насоса сводиться к определению таких параметров уравновешивающего устройства, которые в зависимости от условий работы установки позволили бы создать оптимальный режим работы двигателя и обеспечили бы приемлемые энергетические показатели установки.
Балансированный станок-качалку уравновешивают грузами, устанавливаемыми на балансире или кривошипе.
При выборе масс грузов в качестве критерия уравновешенности принимают следующие условия.
Работа, совершаемая двигателем при ходе штанг вверх и вниз, в течении двойного хода, постоянна:
UВ =UН
UВ =(РЖ+РШ)S - GS
UН =-РШS+GS
Приравняв правые части выражений, получим:
G=(РЖ+РШ)/2
где G – вес уравновешивающего груза.
Таким образом, вес уравновешивающего груза должен быть равен сумме весов колонны штанг в жидкости и половине веса столба пластовой жидкости, находящейся над плунжером скважинного насоса.
Мощность привода балансирного станка-качалки.
Мощность двигателя обусловлена, прежде всего, полезной работой по подъему пластовой жидкости, совершаемой в единицу времени. Эту работу определяем:
при ходе штанг вверх
UВ =(РЖ+РШ)S
при ходе штанг вниз
UН =-РШS
Полезная работа за двойной ход:
U= РЖS
Вес столба жидкости над плунжером скважинного насоса пропорционален площади его плунжера, поэтому затрачиваемая мощность будет:
N=Hd2nS
где n – число двойных ходов балансира в минуту;
H – высота подъема жидкости;
d– диаметр плунжера.
Штанговые насосные установки с гидроприводом
Одной из основных тенденций развития штанговых скважинных установок является увеличение длины хода точки подвеса штанг, что улучшает основные показатели установки, её долговечность и подачу. Однако увеличение длины хода различным образом влияет на изменение параметров её отдельных элементов: привода, колонны штанг, труб, скважинного насоса, устьевого оборудования.
Гидравлический привод может состоять из следующих блоков: силового органа, уравновешивающего устройства, блока привода с коммутирующим устройством, систем компенсации утечек реверсирования. Силовой орган соединяется колонной штанг со скважинным насосом. В гидроприводных установках используются те же способы уравновешивания, что и в механических. Принципиально эти установки отличаются способом передачи энергии от двигателя к силовому органу и уравновешивающему устройству.
В гидроприводных установках в качестве силового органа – узла для перемещения штанг, используют гидравлические цилиндры, а реже резервные гидромоторы.
Уравновешиваюшее устройство аккумулирует потенциальную энергию либо поднимаемого груза, либо сжатого газа, либо колонны штанг соседней скважины или кинетическую энергию маховика.
Блок привода обычно представляет собой двигатель, соединенный с валом силового насоа, объемного или гидродинамического действия. В непосредственной близости от него распределитель переключающий потоки рабочей жидкости от силового насоса к силовому органу в периоды его реверсирования или остановки.
В гидроприводе ШСН используются гидросхемы трех типов: открытая, закрытая и комбинированная. В приводе с открытой гидросхемой бак с рабочей жидкостью находится под атмосферным давлением.
В приводе с закрытой гидросхемой бак с рабочей жидкостью находится под давлением, соизмеримым с рабочим давлением насоса.
В приводе с комбинированной схемой часть узлов и аппаратов находится под постоянным давлением, обусловленным давлением сжатого газа в аккумуляторе, а часть под атмосферным давлением.силовым блоком управляет система реверсирования – либо гидравлическая, либо механическая.
