Устрій та обладнання штангових насосних установок

Штангова насосна установка (рис. 17.6 а) складається з поршневого насоса 2, верстата-качалки 15, колони штанг 4, що з'єднують плунжер (поршень) з качалкою, і колони труб (НКТ) 5, по яких відкачувана рідина піднімається на поверхню. Електродвигун 14 служить для приводу в обертання кривошипа 12, встановленого на осі редуктора 13, і далі за допомогою шатуна 11, балансира 10 створює вертикальний зворотно-поступальний рух колони штанг 4, підвішених на головці балансира за допомогою канатної підвіски 9. При ході плунжера вгору нагнітальний клапан 3 закривається, рідина над плунжером піднімається на довжину його ходу і через трійник 6 потрапляє до збірної мережі. Всмоктувальний клапан 1 насоса відкривається, і рідина із свердловини потрапляє в циліндр насоса. При русі плунжера і штанг вниз клапан 1 закривається, вплив стовпа рідини передається на труби. У цьому випадку нагнітальний клапан 3 відкривається і продукція свердловини перетікає в простір над плунжером. Далі починається новий цикл ходу плунжера вгору.

Сальник 7 призначений для герметизації гирлової арматури при зворотно-поступальному русі полірованого штока 8, що з'єднує штанги з канатною підвіскою 9. Верстат-качалка урівноважений балансирним 16 і роторним 17 вантажами, які згладжують нерівномірність навантаження верстата.

Якщо не відбувається витоків газу і рідини, то теоретична добова подача насоса Q _т при рівності довжин ходу плунжера і полірованого штока дорівнює сумарному об’єму, який описує плунжер при ході вгору:

 

=FSn1440,

 

де F – площа плунжера; S – довжина ходу полірованого штока; n – число хитань (ходів) за хвилину; 1440 – число хвилин у добі.

Фактично подача насоса Q завжди менша, так як довжини ходу плунжера і полірованого штока не однакові, відбуваються витоки рідини через зазор між плунжером і циліндром насоса, в циліндр всмоктується газ разом з рідиною, можливі пропуски нафти і газу в різьбових з'єднаннях труб, тоді:

,

 

де α = Q/Q_т – коефіцієнт подачі насоса (як правило α; змінюється від 0 до 1).

Подача насосів варіює в широких межах – від декількох сот до 5 – 6 м³/добу, діаметр плунжера змінюється від 28 до 120 мм, довжина ходу полірованого штока – від 0,3 до 6 м, число ходів – від 1 до 15 за хв. У промислових умовах при нормальній роботі насоса як правило α ≤ 0,7 – 0,8, якщо навіть витоки рідини незначні. Це пояснюється

а – глибинонасосна установка:

1 – всмоктувальний клапан насоса; 2 – поршневий насос; 3 – нагнітальний клапан; 4 – колона штанг; 5 – колона труб (НКТ);

6 – трійник; 7 – сальник;

8 – полірований шток;

9 – канатна підвіска;

10 – балансир; 11 – шатун;

12 – кривошип;

13 – редуктор;

14 – електродвигун;

15 – верстат-качалка; 16 – балансирний вантаж; 17 – роторний вантаж

б – двоклапанний невставний насос типу НСН-1; в – триклапанний невставний насос типу НСН-2: 1 – нагнітальний клапан; 2 – труби; 3 – плунжер; 4 – захватний шток; 5 – уловлювач; 6 –всмоктувальний клапан; 7 – сідло

г – вставний насос типу НСВ: 1 – штанга; 2 –труби; 3 – конус; 4 – сідло;

5 – пружини; 6 – бортики; 7 – циліндр; 8 – плунжер; 9 – кожух

 

Рис. 17.6. Схема глибинонасосної установки та глибинних насосів

тим, що в насос разом з рідиною всмоктується газ і довжина ходу плунжера не відповідає ходу полірованого штока. Відношення об'єму рідини V_p, яка фактично надійшла під плунжер, до об’єму V, який описується плунжером, при ході його вгору називається коефіцієнтом наповнення насоса ().

Якщо в рідині міститься велика кількість газу, то у насос буде надходити в основному газ і коефіцієнт подачі насоса α; буде низьким внаслідок малої величини коефіцієнта наповнення β_н. Для збільшення α; підвищують тиск на прийомі насоса, занурюючи його в область з меншим вмістом вільного газу під динамічний рівень, або встановлюють газосепаратори (газові якорі) на прийомі насоса, що відокремлюють газ від рідини і направляють його в затрубний (кільцевий) простір. Коефіцієнт β_н можна підвищити, збільшуючи довжину ходу плунжера. На цей коефіцієнт суттєво впливає невідповідність довжини ходу полірованого штока і плунжера, що пов'язано з деформацією (розтягуванням і скороченням) штанг і труб у процесі роботи насоса.

Верстати-качалки – механізми, які перетворюють обертальні рухи вала електродвигуна у зворотно-поступальний рух штанг з плунжером і сприймають навантаження у процесі відкачування рідини. Вони відрізняються за вантажопідйомністю, за конструкцією приводу, типом урівноважування (роторне або балансирне), діапазоном довжин ходу штока і числом хитань.

Шифр верстата означає: перша цифра – виконання; букви – верстат-качалка; цифри після букв – вантажопідйомність у тонах; далі – максимальна довжина ходу штока у метрах і найбільший крутний момент на валу редуктора, наприклад СК1,5-0,42-100. Довжину ходу гирлового штока змінюють шляхом зсуву місця кріплення шатуна з кривошипом. Число хитань балансира залежить від діаметра шківа на електродвигуні. На промислах застосовують насоси різних розмірів і конструкцій. Найбільш поширені насоси двох видів – невставні (трубні) і вставні.

Основні особливості їх полягають у наступному.

Циліндр невставних насосів спускають у свердловину на насосно-компресорних трубах, а клапани і плунжер – на штангах. Для витягування циліндра необхідний підйом всього обладнання (штанг з клапанами і плунжером та насосних труб).

Циліндр у зборі з плунжером і клапанами вставних насосів спускають на штангах. Їх підіймання здійснюється на колоні насосних штанг (труби залишаються на місці).

На рис 17.6 б, в показані схеми невставних насосів. У верхній частині плунжера 3 встановлюється нагнітальний клапан 1. Конус всмоктувального клапана 6 щільно входить у сідло 7. До корпусу цього клапана приєднаний захватний шток 4 з уловлювачем 5, які передбачені для підйому всмоктувального клапана на поверхню (для ремонту або зміни насоса НСН-2).

На рис. 17.6 г показана схема вставного насоса типу НСВ. Ці насоси влаштовані так само, як і трубні. Але на відміну від трубних вони мають додаткові деталі, що дозволяють герметизувати насос у трубах 2 після спуску у свердловину. При цьому насос сідає конусом 3 на сідло 4. Пелюстки пружини 5, закріплені на кожусі 9, упираються в бортики 6. Пружини не дають насосу піднятися із сідла 4 замкової опори під впливом сил тертя при русі плунжера 8 вгору. При зміні насоса плунжер піднімається до упору і на штангах 1 вся збірка витягується з посадочного сідла 4. Пружини 5 зісковзують з бортиків 6, пропускаючи насос вгору. При цьому рідина з насосних труб зливається у свердловину.

Так-як у вставному насосі через труби 2 даного діаметра пропускається не лише плунжер 8, але й циліндр 7 разом з конусом 3, то діаметр плунжера цього насоса повинен бути набагато меншим діаметра невставного насоса. Насоси НСН-1 і НСВ мають діаметр циліндрів від 28 до 68 мм, а насоси НСН-2 – від 28 до 93 мм. Зазори між плунжером і циліндром (по діаметру) становлять від 20 до 70 мкм (туга посадка), від 70 до 120 мкм (середня посадка) і від 120 до 170 мкм (вільна посадка). Для відкачування високов'язких нафт застосовують насоси з вільною посадкою.

Штанги являють собою стрижні круглого перетину довжиною від 1 до 8 м, діаметрами 16, 19, 22 і 25 мм з потовщеними головками квадратного перетину на кінцях. Вони з’єднуються за допомогою муфт. Так як штанги експлуатуються під впливом значних змінних навантажень в корозійному середовищі, їх виготовляють із високоміцних сталей з термообробкою і з застосуванням методів поверхневого зміцнення.

Обладнання гирла (рис. 17.7) служить для підвішування труб 3 на планшайбі 2 і відведення продукції із свердловини через трійник 5.

 

1 – колонний фланець; 2 – планшайба;

3 – труби; 4 – опорна муфта; 5 – трійник;

6 – корпус сальника; 7 – полірований шток;

8 – головка сальника; 9 – сальникова набивка

 

Рис. 17.7. Обладнання гирла свердловини