2765.Оборудование для добычи нефти и газа Часть 2
..pdfскважину рассчитывают глубину расположения динамического уровня по известному расположению статического уровня, ко эффициенту продуктивности и заданному объему отбираемой жидкости. Глубина спуска насоса будет равна сумме глубины расположения динамического уровня жидкости в скважине и глубины погружения насоса под этот уровень.
Типоразмер погружного агрегата выбирается по подаче и на пору насоса и габариту погружного агрегата. Подача насоса за дана. Напор, который должен развивать погружной насос, оп ределяется в случае, если добытая жидкость поднимается по свободной внутренней полости НКТ и применена замкнутая циркуляция жидкости. При подъеме жидкости по кольцевому пространству в этой формуле должны быть изменены зависи мости, принятые для определения работы газа в подъемном канале, и определения сопротивления потоку в нем. Также уточ няются эти зависимости и при смешивании добытой и рабочей жидкостей.
Габариты погружного агрегата выбираются в зависимости от принятой схемы обустройства скважины (параллельные или кон центричные колонны, использование пакера), принятой схемы циркуляции рабочей жидкости и диаметра обсадной колонны скважины.
Параметры поверхностного оборудования, а это прежде всего подача и давление рабочей жидкости, определяются в зависимо сти от размеров выбранного погружного агрегата. Объем подачи рабочей жидкости зависит от диаметра, длины хода и частоты ходов плунжера двигателя погружного агрегата. При расчете этого объема необходимо учесть утечки жидкости в системе, потери жидкости на переключение золотника. При расчете давления рабочей жидкости у поверхностного насоса учитываются разме ры поршней двигателя и насоса, штока, соединяющего поршни, потери напора в трубах и в самом погружном агрегате, силы трения движущихся деталей в агрегате.
Определение расхода рабочей жидкости
При подборе гидропоршневого насоса необходимо стремить ся к максимальному сокращению удельного расхода рабочей жид кости (расхода на тонну добываемой нефти).
£2ра6 ~ 1440 (2F2 —f ) s п Кр , |
(6.1) |
где F2 — площадь поперечного сечения плунжера погружно го двигателя в м2; / — площадь поперечного сечения штока, м2; s — длина хода плунжера погружного двигателя, м; п — число двойных ходов плунжера в минуту; Кр— коэффициент расхода рабочей жидкости (отношение фактического расхода к теорети ческому).
Определение силового давления рабочей жидкости
Для определения давления (напора) рабочей жидкости у си лового (поверхностного) насоса пользуются уравнением равно весия статических сил, действующих на плунжеры погружного агрегата (двигателя и насоса) при ходе их вверх и вниз (рис. 6.9).
F Рп + (^1 - f)Pn + Ртр = (^2 - f ) P'p+ F\Рп, |
(6.2) |
F2P"p + (^1 + f)P„ = (^2 + f)P„ + F\P„ + Prp |
( 6 -3) |
где F{, F2 и / — площади сечения соответственно плунжера насоса, плунжера двигателя и штока в м2; Рн — давление столба нагнетаемой жидкости с учетом потерь напора в подъемной ко лонне; Рп — давление подпора, определяемое погружением на соса под динамический уровень жидкости в скважине, МПа, Р,р— потери напора в погружном агрегате (механическое трение в плунжере и штоке), МПа;
Р'р и Р — давление рабочей жидкости у плунжера двигателя погружного агрегата при ходе вверх и вниз, МПа.
Из этих уравнений находят Р 'р и Р"р.
Среднее давление рабочей жидкости на входе в погружной
агрегат |
|
р.р = (р; + р" Р)/2. |
(6.4) |
Найденное количество рабочей жидкости и ее давление у поверхностного насоса дают возможность подобрать его по
IJ K
1
Рг
\
№ . | /
Ш л
ИГ"
, |
Рис. 6.9. Расчетная схема сил, |
действующих на плунжерную группу |
гидропоршневого агрегата:
4 |
|
1 |
а — при ходе вверх; б — при ходе вниз |
|
'r|J каталогам. При выборе насоса надо учи i тывать, что он должен работать непрерыв
но и длительно и что при индивидуаль ных установках насосы располагаются в легких укрытиях.
Поскольку длинные колонны труб —
!очень хороший компенсатор, сглаживаю щий колебания давления рабочей жидко
rfr |
сти, то возможное неравенство расчетных |
|
давлений рабочей жидкости при ходе |
||
|
||
|
плунжеров вверх и вниз практически оз |
бначает, что скорость движения их вверх и
вниз различна.
После выполнения рабочего хода плун жерной группы рабочая жидкость вытесняется и смешивается с откачиваемой скважинной жидкостью. Потери напора при дви жении смешанной жидкости от погружного агрегата по колонне НКТ и далее до приемного резервуара определяются по формуле Дарси—Вейсбаха:
К. = К И п /2ё « - <*„>, |
(6.5) |
где К — коэффициент гидравлического сопротивления; dn — внутренний диаметр подъемных труб, м; du — наружный диа метр напорных (центральных) труб, м.
Для определения К надо знать число Рейнольдса Re, которое
зависит от скорости течения жидкости |
V. |
|
Давление рабочей жидкости (МПа) у силового насоса будет |
||
Рсн = Рр + Рпр - |
Рг’; |
(6.6) |
где Рпр — потери напора в колонне, подводящей рабочую жидкость к погружному агрегату, МПа (определяются по
33
з и»
формуле Дарси—Вейсбаха); Рг — гидростатический напор столба рабочей жидкости в трубах, МПа.
При высоком газовом факторе для повышения коэффициен та подачи необходимо либо увеличивать глубину погружения насоса под динамический уровень,- либо устанавливать ниже насоса газовый якорь.
Определение мощности и коэффициента полезного действия гидропоршневой установки
Полезная мощность погружного агрегата (кВт)
|
= 103С?Ямун |
|
V ’ |
а |
102 |
’ |
где Q — подача насоса в м3/с, Нн = Н — h + /ггс— манометри ческий напор в м ст. жидк. (Я — глубина спуска насоса, h — глубина погружения насоса под динамический уровень, Аг с — гидравлические сопротивления в трубопроводе от погружного агрегата до приемного резервуара на поверхности). Полная мощ ность (кВт) всей установки
. ю3ораб/>р
УЮ,2л.,
где Qp.i6 — расход рабочей жидкости в м3/с, Рср — среднее давление рабочей жидкости на выходе из силового насоса; лас — КПД силового агрегата (электродвигателя привода, механичес кой передачи, силового насоса).
Общий КПД установки
Лу |
(6.9) |
6.2.СК ВА Ж И Н Н Ы Е СТРУ Й Н Ы Е
НА СО СН Ы Е УСТАНОВКИ
Впоследние десятилетия ведутся активные поиски новых способов добычи нефти, особенно в области эксплуатации на клонных скважин. При использовании бесштанговых гидропри водных струйных насосных установок вместо УСШН в скважи нах со значительной кривизной ствола энергетические затраты существенно снижаются, а межремонтный период (МРП) сква жинного оборудования увеличивается. Компактность, высокие монтажеспособность, эффективность и степень унификации уз лов позволяют применять гидроприводные насосные установки при эксплуатации кустовых скважин в труднодоступных райо нах Сибири и на морских месторождениях.
Изменение условий эксплуатации многих нефтяных место рождений, связанное с увеличением числа объектов разработки
втруднодоступных северных районах и на континентальном шельфе, вызвало возрождение интереса к струйным насосным установкам.
6.2.1.КОНСТРУКЦИИ СКВАЖИННЫХ
СТРУЙНЫХ НАСОСОВ
Струйные насосы являются разновидностью гидроприводных насосов, и они обладают всеми достоинствами этого вида обо рудования. Благодаря своим конструктивным особенностям струйные аппараты отличаются высокой надежностью и эффек тивностью, особенно в осложненных условиях эксплуатации, например при добыче пластовой жидкости со значительным со держанием механических примесей, коррозионно-активных ве ществ и из наклонно направленных скважин.
К преимуществам струйных насосов относят их малые габа риты, большую пропускную способность и возможность стабиль но отбирать пластовую жидкость с высоким содержанием сво бодного газа. Кроме того, проста конструкция установок, отсут ствуют движущиеся детали, возможно исполнение струйного насоса в виде свободного, сбрасываемого агрегата.
В струйном насосе или инжекторе (рис. 6.10) поток откачи ваемой жидкости перемещается от забоя скважины до устья скважины за счет получения энергии от потока рабочей жид кости, подаваемого поверхностным силовым насосом с устья скважины.
Рис. 6.10. Схема струйного насоса (а)
идвижение жидкостей в нем (6):
1— подвод откачиваемой жидкости; 2 — подвод рабочей жидко сти; 3 — входное кольцевое сопло; 4 — рабочее сопло; 5 — камера смешения; 6 — диффузор; I — невозмущенная откачиваемая жид кость; II — пограничный слой; III — невозмущенная рабочая жид кость (ядро)
Нагнетание скважинной жидкости осуществляется благодаря явлению эжекции в рабочей камере, т.е. смешению скважинной жидкости с рабочим потоком жидкости, обладающим большой энергией, см. рис. 6.10.
Режим работы струйного насоса характеризуется следующи ми параметрами: рабочий напор Я , затрачиваемый в насосе и равный разности напоров рабочего потока на входе в насос (сечение В—В) и на выходе из него (сечение С—С), полезный напор Нр, создаваемый насосом и равный разности напоров подаваемой жидкости за насосом (сечение О -С ) и перед ним
(сечение А—А); расход рабочей жидкости Q,; полезная подача Qo. КПД струйного насоса равен отношению полезной мощности к затраченной
Qoff,
ая,
иможет достигать величины КПД = 0,2...0,35. Такое значение КПД струйных насосов обусловлено большими потерями энер гии, сопровождающими рабочий процесс: в камере смешения (на вихреобразование и гидравлическое трение жидкости о стенки камеры); в элементах насоса, подводящих и отводящих жидкость (в рабочем и кольцевом сопле и диффузоре).
Струйный насос работает следующим образом. При истечении рабочей жидкости со скоростью Vx из сопла в затопленное про странство сразу за передним срезом сопла на поверхности струи возникает область смешения. Быстрые частицы проникают в ок ружающий медленный поток невозмущенной жидкости, подса сываемый через кольцевой проход в камеру со скоростью К и передают ей энергию. Этот процесс, основанный на интенсив ном вихреобразовании, происходит в непрерывно утолщающем ся по длине струйном пограничном слое. Вместе с тем внутрен няя область рабочей струи, а именно ее ядро и внешняя область невозмущенной подсасываемой жидкости — постоянно умень шаются и на расстоянии L от рабочего сопла потоки рабочей и откачиваемой жидкости уже полностью перемешаны. На даль нейшем участке камеры смешения происходит только выравни вание профиля скоростей потока жидкости. Чаще всего в струй ных насосах применяют цилиндрические камеры смешения, тех нологические простые в изготовлении и обеспечивающие отно сительно высокий КПД.
Для преобразования достаточно высокой скорости потока в
камере смешения в давление поток направляется в диффузор. Схема струйного насоса представлена на рис. 6.11. Струйный
аппарат является сменным узлом. В нем устанавливаются насад ка и камера смешения, изготовленные из износоустойчивых материалов. Насадки и камеры смешения выполняются с раз ными диаметрами проходного канала и подбираются в зависи мости от параметров скважины, давления рабочей жидкости,
сравнению с расходом рабочей жидкости. При этом гидравличес кая энергия передается сравнительно малому объему откачивае мой жидкости и развивается высокий напор.
Если же площадь рабочего сопла не превышает 20 % площа ди камеры смешения, то соответственно увеличивается объем откачиваемой жидкости и, следовательно, уменьшается разви ваемый напор. Такие насосы относятся к низконапорным.
Чтобы удовлетворить различным требованиям условий рабо ты насоса в скважинах (по подачам и напорам), необходимо подобрать сочетания площадей проходных сечений.
Основные фирмы-изготовители выпускают комплекты струй ных насосов с набором рабочих сопел (насадок) различных раз меров и несколькими (от 1 до 6) комплектами камер смешения (горловин) для каждой насадки.
Площади поперечных сечений рабочих сопел струйных насо сов фирм: Kobe, National и Cuiberson изменяются в диапазоне 1,03—250,00 мм2, площадь камеры смешения этих насосов — 2,84-1390 мм2.
Выбор соотношения размеров рабочего сопла и камеры сме шения зависит от условий эксплуатации. Зарубежные фирмы наиболее часто используют струйные насосы с соотношением площадей сопла и горловины 0,235—0,400.
Малые габаритные размеры и возможность работы струйных насосов при прямой и обратной циркуляции рабочей жидкости позволяют применять различные конструктивные схемы сква жинного оборудования.
Так, в каталогах фирмы TRIKO Industries, Inc. представлены «свободные» струйные насосы в сочетании с двумя параллель ными или коаксиальными рядами НКТ, а также с НКТ, уста новленными на пакере. Оригинально решение, в котором струй ный насос устанавливается в клапанной камере скважинного газлифтного оборудования.
Все виды струйных насосов могут эксплуатироваться в сква жинах со значительным искривлением ствола и большим содер жанием механических примесей и свободного газа в откачивае мой жидкости.
Струйные насосы могут применяться при освоении скважин по окончании бурения, при очистке призабойной зоны добыва ющих и нагнетательных скважин, а также при комплексном при
менении метода создания циклических депрессий — репрессий
всочетании с другими методами воздействия на пласт.
ВСКТБ «Недра» ИваноФранковского института нефти и газа [4] с участием конструкторов Калушского завода «Карпатнефтемаш» была разработана и усовершенствована конструкция, стационарного аппарата, которому присвоен шифр УОС-1 М.
Вэтой конструкции не используются дефицитные цветные ме таллы и уплотнительные резиновые кольца, а также значитель но уменьшена материалоемкость. При изготовлении аппарата данной конструкции существенно снижается трудоемкость фре зерных и токарных работ, упрощается .сборка. Струйные аппа раты указанных конструкций предназначены для добычи нефти или других жидкостей из скважин, а также для воздействия на пласт. Стационарный струйный аппарат УОС-ДМ состоит из корпуса, камеры смешения с технологической заглушкой, твер досплавной насадки, запрессованной в гнездо и шара. Наруж
ный диаметр устройства уменьшен со 107 до 96 мм, длина — с 650 до 460 мм, а масса его составляет 11 кг.
Вставной струйный аппарат УЭОС-1 состоит из корпуса и эжек торного насоса. Эжектируемая из пласта жидкость поступает в ка меру смешения по каналам корпуса устройства. Конструкция уст ройства дает возможность устанавливать и извлекать из внутрен ней полости корпуса эжекторный насос, а также транспортировать его в полости НКТ диаметром не менее 73 мм. Максимальный наружный диаметр эжекторного насоса 55 мм.
Эжекторный насос включает в себя хвостовик, корпус, гнездо с запрессованной в него твердосплавной насадкой (соплом), смеситель и наконечник. Эжекторный насос гер метизируется в корпусе устройства с помощью уплотнитель ных элементов, выполненных из фторопластового материала или асборезиновой смеси. Уплотнительные элементы и со единение смесителя с корпусом фиксируются соответственно гайками. Минимальный внутренний диаметр (46 мм) корпуса позволяет пропускать через него глубинные манометры диа метром до 42 мм автономно или совместно с эжекторным на сосом. В последнем случае оперативно оценивается создавае мая депрессия на пласт. Соединение глубинного манометра с эжекторным насосом фиксируется посредством установочного винта.