Штанговые глубинные насосы (ШГН): конструкция, принцип работы, разновидности

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.

Это интересно: Глубинные насосы для скважин: принцип работы, разновидности, правила выбора

Принцип действия ШГН

• Принцип действия ШГН
• Типы штанговых насосов
• Достоинства и недостатки трубных и вставных насосов
• Принцип действия и маркировка штанговой насосной установки
• Источники:

ШГН предназначены для откачивания из скважин жидкостей с температурой не более 130 градусов, обводненностью не более 99% по объему, вязкостью до 0,3 Па*с, содержанием механических примесей до 350 мг/л, свободного газа на приеме не более 25%.

Штанговый насос состоит из цельного неподвижного цилиндра, подвижного плунжера, всасывающего и нагнетательных клапанов, замка (для вставных насосов), присоединительных и установочных деталей.

В скважину на колонне подъемных труб спускают плунжерный насос, состоящий из цилиндрического корпуса 1 (цилиндра), внутри которого имеется пустотелый поршень 2 (плунжер). В верхней части плунжера установлен нагнетательный клапан 3. В нижней части неподвижного цилиндра устанавливается всасывающий клапан 4. Плунжер подвешен на колонне насосных штанг 5, которые передают ему возвратно- поступательное движение от специального механизма (станка-качалки), установленного на поверхности.

При ходе плунжера вверх жидкость из скважины поступает через всасывающий (приемный) клапан в цилиндр насоса, так как под плунжером создается давление намного меньше чем в скважине. При ходе плунжера вниз всасывающий клапан закрывается под действием давления жидкости под плунжером и объем жидкости из цилиндра через полый канал плунжера и открытый нагнетательный клапан, открытие которого происходит от давления жидкости, находящейся под плунжером и полом канале плунжера, поступает в подъемные трубы.

В процессе непрерывной работы насоса жидкость заполняет объем подъемных труб, а затем направляется на поверхность.

Наиболее широко распространены насосы двух видов: вставные и невставные (трубные).

Штанговые насосы используются для подачи жидкости из глубоких скважин. Чаще всего штанговый насос используют при добычи нефти.

В поршень штангового насоса установлен обратный клапан, пропускающий жидкость в одном направлении.

Запорным элементом представленного клапана является шарик.

При движении поршня вниз шарик перемещается вверх, клапан открывается, пропуская жидкость через поршень.

При движении поршня вверх шарик прижимается к седлу, клапан под действием давления столба жидкости закрывается.

Конструктивные особенности и принцип действия

Основными элементами конструкции насоса штангового, который размещается в скважине на особой колонне, состоящей из подъемных труб, являются:

• цилиндрический корпус, во внутренней части которого устанавливается пустотелый поршень (вытеснитель), называемый плунжером;
• нагнетательный клапан, устанавливаемый в верхней части вытеснителя;
• всасывающий клапан шарового типа, который размещается в нижней части неподвижного цилиндрического корпуса;
• насосные штанги, соединенные с особым механизмом (качалкой) и плунжером и сообщающие последнему возвратно-поступательное движение (сама качалка, приводящая в действие скважинный штанговый насос (СШН), монтируется вне скважины – на поверхности земли).

Устройство штангового глубинного насоса

Принцип работы глубинных штанговых насосов достаточно прост.

1. При перемещении плунжера вверх в нижней части камеры насоса создается разрежение давления, что способствует всасыванию перекачиваемой жидкой среды через входной клапан.
2. Когда плунжер начинает движение вниз, всасывающий клапан закрывается под действием давления перекачиваемой жидкой среды, и она через полый канал поршня и нагнетательный клапан начинает поступать в подъемные трубы.
3. В ходе безостановочной работы штангового глубинного насоса перекачиваемая им жидкая среда начинает заполнять внутренний объем подъемных труб и в итоге направляется на поверхность.

Принцип действия ШГН

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.

АДАПТАЦИЯ К МЕНЯЮЩИМСЯ УСЛОВИЯМ ПРОМЫСЛА

Конструкции УВНП отличается рядом особенностей, которые обеспечивают адаптацию нашего оборудования к изменяющимся условиям промысла. Это, в частности, широкий диапазон регулирования производительности установки, в узком диапазоне изменения частоты вращения.

Работающее в составе «интеллектуальной скважины» оборудование должно обеспечивать необходимый диапазон изменения подачи установки. Данная установка это позволяет сделать. Высокий объемный КПД винтового насоса при регулировании производительности, изменении напора остается практически неизменным, благодаря чему нам не нужно учитывать регулировочные характеристики, что также упрощает процесс регулирования и подбора необходимых параметров.

Еще одна особенность — обеспечение максимального дебита скважин за счет минимального погружения под динамический уровень жидкости и создание постоянной депрессии на пласт.

И, наконец, оперативность изменения параметров работы за счет малой инерционности штанговой колонны при низких частотах вращения. Данный показатель важен потому, что если мы говорим о регулировании, то мы должны понимать, что технически эта задача решается достаточно простыми средствами без дополнительных отрицательных последствий.

Вращательный характер штанг, а не возвратно-поступательный, как у ШСНУ, также более предпочтителен при изменении характера движения, так как в этом случае снимаются очень многие проблемы, которые характерны для возвратно-поступательного движения.

Вариант оснащения «интеллектуальной» скважины с УВНП

Типы штанговых насосов

Существует два основных типа штанговых насосов:

• вставные
• трубные (невставные)

Трубный штанговый насос

Плунжер насоса перемещается в гильзе, которая присоединена к колонне труб. Гильза устанавливается в скважину вместе с трубами, ля того, извлечь ее можно только вместе с трубами.

В плунжере расположен обратный клапан 1. Еще один клапан 2 крепится к нижней части гильзы.

При движении плунжера вниз клапан 1 открывается, пропуская жидкость из скважины в полость над плунжером, клапан 2 в этот момент закрыт.

При перемещении плунжера вверх, клапан 1 закрывается, плунжер вытесняет жидкость вверх по скважине. Клапан 2 в этот момент открыт, жидкость из пласта заполняет полость в скважине.

Вставной штанговый насос

Плунжер и гильзу вставного штангового насоса помещают в уже установленную колонну труб.

При движении плунжера вниз клапан 1 открывается, пропуская через себя жидкость, клапан 2 — закрыт.

При перемещении плунжера вверх клапан 1 закрывается на позволяя жидкости перетекать обратно, жидкость поднимается по скважине вверх. Клапан 2 в этот момент открыт, жидкость из пласта поступает под плунжер.

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.

Это интересно: Ремонт центробежных насосов – техническое обслуживание, регулировка, виды неисправностей

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.

ПРИНЦИП РАБОТЫ И ПРЕИМУЩЕСТВА ЛИНЕЙНОГО ПРИВОДА ШГН

Однако, несмотря на недостатки СК, применение УШГН остается весьма перспективным способом эксплуатации скважин, поскольку обладает высоким потенциалом снижения расходов на единицу извлеченной пластовой жидкости. Поэтому технологии, направленные на повышение эффективности работы УШГН, представляют особый интерес для нефтяников. Одна из относительно недавно появившихся на рынке технологий – линейный привод (ЛП) штангового глубинного насоса марки LRP. Это реечный привод, с помощью которого обеспечивается возвратно-поступательное движение штока глубинного насоса в скважине путем передачи вращательного движения от реверсивного асинхронного двигателя через редуктор и шестеренчатые передачи на зубчатую рейку, к которой крепится полированный шток (рис. 1). При каждом рабочем ходе стойка смазывается за счет погружения в полностью закрытую масляную ванну. А благодаря этой кинематической схеме реечной передачи движение штока может регулироваться в широком диапазоне заданных параметров.
Привод устанавливается на планшайбе фонтанной арматуры непосредственно на скважине. Дополнительных поддерживающих конструкций или фундамента не требуется.

В процессе эксплуатации ЛП электроэнергия потребляется только при ходе штока и насосных штанг вверх, а при ходе вниз электроэнергия, наоборот, вырабатывается и используется для торможения системы. Станция управления ЛП предназначена для автоматического регулирования режимов эксплуатации насосной установки в оптимальном диапазоне притока жидкости. В случае LRP функции управления приводом и мотором реализуются при помощи контроллера и программного обеспечения компании-разработчика системы (UNICO) на основании разработанной математической модели скважины. Это позволяет системе управлять параметрами добычи в реальном времени и автоматически подстраиваться под оптимальные режимы добычи без участия оператора.

Рис. 2. Система линейного привода Unicoна скважине Красноярского м/р

Основные разновидности

По своему конструктивному исполнению штанговые глубинные насосы могут быть:

• вставными;
• невставными.

Опускание в скважину вставных штанговых глубинных насосов, как и их извлечение из нее, осуществляется в собранном виде. Для того чтобы выполнить такую операцию, плунжер помещают внутрь цилиндра, и вся конструкция на насосных штангах опускается в шахту.

Типы насосов ШГН по способу крепления к колонне

Вставные ШГН также подразделяются на устройства двух видов:

• вставные насосы с верхним расположением замка (НВ1);
• насосы, замок которых располагается в их нижней части (НВ2).

Вставные устройства используют преимущественно для обслуживания скважин большой глубины, характеризующихся также небольшим дебитом откачиваемой из них жидкой среды. Использование таких насосов ШГН, для извлечения которых достаточно осуществить подъем штанг, с которыми соединена вся конструкция насоса, намного упрощает ремонт скважины, если в этом возникает необходимость.

Схема работы установки с ШГН

Для того чтобы поместить в скважину штанговый глубинный насос невставного типа, необходимо выполнить более сложные действия. В скважину сначала помещают цилиндр, для чего используют НКТ, а только затем, используя штанги, в уже установленный цилиндр опускают плунжер с клапанами. Извлечение штангового глубинного насоса данного типа также осуществляется в два приема: в первую очередь из цилиндра насоса извлекается плунжер с клапанами, а затем из скважины поднимается цилиндр с НКТ.

Невставные устройства также подразделяются на несколько категорий:

• насосные установки без ловителя (НН);
• невставные глубинные насосы с захватным штоком (НН1);
• невставные насосы с ловителем (НН2).

Глубинные штанговые насосы производятся различных типоразмеров и исполнений, в том числе по специальным заказам для работы в особых условиях

Среди перечисленных выше видов невставного оборудования наиболее популярными стали устройства, оснащенные ловителем (НН2). Объясняется высокая популярность последних тем, что механизм их опорожнения отличается простотой конструкции и, соответственно, большей надежностью в эксплуатации.

Выбор оборудования той или иной модели осуществляется в зависимости от конкретных условий эксплуатации, а также от характеристик жидкой среды, которую планируется откачивать с его помощью.

Скважинный штанговый насос исполнения НН2Б

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.

Насос невставной с коротким цилиндром и длинным плунжером ННБКУ

Как читать маркировку

Для того чтобы определить, к какой категории относится глубинный штанговый насос, а также узнать, какими характеристиками обладает такое устройство, достаточно расшифровать его маркировку. Такая маркировка, расшифровка которой не представляет больших сложностей, выглядит следующим образом:

XХХ Х – ХX – ХХ – ХX – Х

Буквы и цифры, присутствующие в такой маркировке, последовательно обозначают следующие параметры:

• тип штангового насоса, который, как уже говорилось выше, может относиться к одной из следующих категорий: HB1, НВ2, НН, HH1, НН2;
• тип конструктивного исполнения цилиндра и конструктивные особенности устройства в целом;
• условный диаметр плунжера, измеряемый в мм (современные модели штанговых глубинных насосов по данному параметру могут относиться к устройствам следующих категорий: 29, 32, 38, 44, 57, 70, 95 и 102 мм);
• максимальный ход, который может совершать плунжер (для того чтобы узнать, на какое расстояние в мм перемещается плунжер, значение в маркировке необходимо разделить на сто);
• напор в м вод. ст., который способен обеспечить представленный глубинный насос (это значение в маркировке также необходимо разделить на сто);
• группа посадки (по степени увеличения расстояния, имеющегося между плунжером и внутренними стенками цилиндра, рассматриваемые устройства могут соответствовать одной из следующих групп посадки: 0, 1, 2, 3).

Группы посадок насоса в зависимости от величины зазора между цилиндром и плунжером

Конструктивные элементы

Работоспособность и эффективность использования глубинных насосов штангового типа определяют следующие элементы, присутствующие в их конструкции:

1. цилиндры, которые могут быть цельными или составными;
2. плунжеры (обыкновенные или типа пескобрей);
3. клапанные узлы шарикового типа, запорными элементами которых выступают седло и шарик;
4. якорные башмаки, используемые для закрепления в трубах НКТ штанговых глубинных насосов вставного типа (при установке таких элементов необходимо обеспечить герметизацию всасывающей полости насоса от нагнетательной).

Конечно, обязательным элементом конструкции штангового глубинного насоса является штанга – изготовленный из стали круглый стержень с высаженными концами. Основное назначение штанг, которые могут иметь различный диаметр (12, 16, 18, 22 и 25 мм), заключается в том, чтобы сообщать плунжеру возвратно-поступательное движение.

Насосная штанга и соединительная муфта

Поскольку в ходе работы глубинного насоса штанги испытывают серьезные нагрузки, для их производства используют высококачественные стали, а после изготовления подвергают нормализационному отжигу и закалке ТВЧ.

Штанговые насосные устройства в зависимости от конструктивных особенностей плунжера и цилиндра, а также от того, как расположен их якорный башмак, могут относиться к одной из 15 категорий.

На фото виден всасывающий клапан шарового типа, размещенный в цилиндрическом корпусе