Штанговые скважинные насосные установки

ВВЕДЕНИЕ

Одним из наиболее распространенных механизированных способов эксплуатации скважин является способ с использованием скважинного насоса с приводом, расположенным на поверхности. Свыше 65 % действующего фонда скважин оснащены штанговыми скважинными насосными установками (ШСНУ). С помощью ШСНУ добывается около 30 % всей нефти.
Такое широкое распространение эксплуатации скважин штанговыми установками объясняется тем, что этот способ наиболее экономичный и гибкий в отношении регулирования отбора жидкости.
К преимуществам ШСНУ относится:
- простота конструкции,
- простота обслуживания и ремонта в промысловых условиях,
- удобство регулировки,
- возможность обслуживания установки работниками низкой квалификации,
- малое влияние на работу ШСНУ физико-химических свойств откачиваемой
жидкости,
- высокий КПД,
- возможность эксплуатации скважин малых диаметров.
Эффективность добычи нефти штанговыми насосами в основном зависит от правильного подбора оборудования и установления оптимальных режимов откачки жидкости. Различие нефтяных скважин по объему продукции и требуемой высоте ее подъема определяет необходимость иметь размерный ряд по мощности штанговых насосных установок. Разнообразие профилей скважин, состава продукции обуславливает необходимость иметь несколько конструктивных вариантов внутрискважинных элементов оборудования, наиболее приспособленных к условиям эксплуатации, и варианты исполнения этих элементов оборудования, соприкасающихся с продукцией, так же и по применяемым материалам, с тем чтобы обеспечить их наибольшую износостойкость, коррозионную стойкость и коррозионно-усталостную прочность в условиях воздействия различных сред.
Глобальной задачей проектирования оптимальных ШСНУ является создание не только отдельных типоразмеров, но и размерных рядов элементов оборудования ШСНУ, обеспечивающих минимизацию затрат при совокупности их применения.
За последние годы на промыслах появились новые станки-качалки типа СКД, усовершенствованные подъемные агрегаты, скважинные насосы, специальная техника, механизмы и инструменты.
Повсеместно проводится широкая работа по борьбе с коррозией нефтепромыслового оборудования и с отложениями солей и парафинов, а также по охране окружающей среды. Появились новые дозаторы, химические реагенты и технология их применения.
 
1 Анализ тенденций развития штанговых насосов

1.1 Общие сведения о штанговых насосах

Эксплуатация нефтяных скважин штанговыми насосами – наиболее распространенный способ добычи нефти, охватывающий более 65% действующего фонда скважин. Современными штанговыми насосными установками можно добывать нефть из одного или двух пластов скважин глубиной до 3500 м с дебитом жидкости от нескольких кубометров до нескольких сотен кубометров в сутки.
Штанговая насосная установка для эксплуатации одного пласта (рисунок 1) состоит из станка-качалки, устьевого сальника, колонны насосных штанг и насосно-компрессорных труб, а также вставного или не вставного скважинного насоса. Для закрепления в колонне насосно-компрессорных труб вставного скважинного насоса, спускаемого на колонне насосных штанг, применяется замковая опора. Цилиндры не вставных насосов спускаются в скважину на конце колонны насосно-компрессорных труб, а плунжер – на конце насосных штанг. Кроме того, подземное оборудование может включать различные защитные устройства (газовые и песочные якоря, хвостовики), присоединяемые к приемному патрубку ШСН и улучшающие его работу в осложненных условиях (песок, газ).
Штанговый скважинный насос состоит из длинного (2—4 м) цилиндра той или иной конструкции. На нижнем конце цилиндра укреплен неподвижный всасывающий клапан, открывающийся при ходе вверх. Цилиндр подвешивается на трубах. В нем перемещается поршень-плунжер, выполненный в виде гладко обработанной трубы длинной 1-1,5 м, имеющей нагнетательный клапан, также открывающийся вверх. Плунжер подвешивается на штангах. При движении плунжера вверх жидкость через всасывающий клапан под воздействием давления на приеме насоса заполняет внутреннюю полость цилиндра. При ходе плунжера вниз всасывающий клапан закрывается, жидкость под плунжером сжимается и открывает нагнетательный клапан. Таким образом, плунжер с открытым клапаном погружается в жидкость. При очередном ходе вверх нагнетательный клапан под давлением жидкости, находящейся над плунжером, закрывается. Плунжер превращается в поршень и поднимает жидкость на высоту, равную длине хода (0,6 - 6 м). Накапливающаяся над плунжером жидкость достигает устья скважины и через тройник поступает в нефтесборную сеть.
1.2 Анализ конструктивного исполнения станков качалок

Наземная часть установки состоит из станка-качалки и устьевого сальника. Станки-качалки - индивидуальный балансирный механический привод ШСН. Станки-качалки выполняются в двух исполнениях: СК, выпускаемые семи типоразмеров, и СКД, выпускаемые по ГОСТ 26-16-08 – 87 шести типоразмеров. В шифре, например, СКД8-3.5-2200, указано:
8 - наибольшая допускаемая нагрузка рmах на головку балансира в точке подвеса штанг, умноженная на 10кН;
3.5 - наибольшая длина хода устьевого штока, м;
2200 - наибольший допускаемый крутящий момент на ведомом валу редуктора, умноженный на 0,01кН · м. Дополнительно СК характеризуют числом n качаний балансира (двойных ходов), которое изменяется от 5 до 15 мин-1.
Техническая характеристика станков качалок приведена в приложениях.
 


1 – подвеска устьевого штока; 2 – балансир с опорой; 3 – стойка; 4 – шатун;
5 – кривошип; 6 – редуктор; 7 – ведомый шкив; 8 – ремень; 9 – электродвигатель; 10 – ведущий шкив; 11 – ограждение; 12 – поворотная плита; 13 – рама;
14 – противовес; 15 – траверса; 16 – тормоз.
Рисунок 2 - Станок-качалка

Рама, на которой монтируются стойка, редуктор, поворотные салазки под электродвигатель и ограждение кривошипно-шатунного механизма, выполнена из профильного проката. Для уменьшения высоты фундамента в станках-качалках с комбинированным и кривошипным уравновешиванием в месте установки редуктора прикрепляется подредукторная подставка. На раме предусмотрены отверстия для крепления анкерными болтами к фундаменту при монтаже станка-качалки.
Стойка, имеющая форму усеченной трехгранной пирамиды в станках-качалках 1СК—ЗСК и четырехгранной 4СК—9СК, выполнена из профильного проката. Ноги стоики соединены между собой поперечными связями.
В станках-качалках 1СК—4СК стойка приварена к раме, а в 5СК—9СК крепится к раме болтами. К верхней части стойки приварена плита, на которой устанавливается опора балансира. К плите приварены четыре упора с установочными винтами, которыми обеспечивается продольное перемещение балансира при регулировании точки подвеса штанг по центру скважины после монтажа станка-качалки. Ось опоры балансира крепится к плите двумя скобами. Для смены скоб в плите имеется две прорези.
Балансир изготавливают из профильного проката или сварной конструкции. В станках-качалках 1СК-ЗСК балансир выполнен с откидной головкой, а в 4СК-9СК - с поворотной. В рабочем положении поворотная головка фиксируется клином защелки, входящим в паз шайбы головки. Клин защелки соединен с рукояткой канатом. При освобождении головки клин при помощи рукоятки оттягивается назад. Головка балансира поворачивается после отсоединения с колонной штанг при текущем ремонте скважин. Головка балансира представляет собой дугу окружности, чем обеспечивается прямолинейность движения сальникового штока при качании балансира. В верхней части головки закреплен ролик, на который надет канат. К концам каната прикреплена канатная подвеска сальникового штока. На заднем плече балансира у станков-качалок с балансирным и комбинированным уравновешиванием устанавливают грузовые чугунные плиты.
Балансир связан с редуктором двумя параллельно работающими кривошипно-шатунными механизмами и поперечной траверсой. Траверса соединена с балансиром при помощи шарнирного соединения - опоры траверсы. Прочность балансира должна соответствовать изгибающему напряжению, возникающему от нагрузок в скважине и противовеса.
Опора балансира (рисунок 3) представляет собой в средней части ось квадратного сечения, концы ее покоятся на сферических роликоподшипниках. Подшипники установлены в чугунные корпуса, которые крепятся болтами к верхней плите стойки.