1474

чиков перемещения головки балансира или полированного што­ ка. Также, как в ранее рассмотренных системах («Дельта-Х», «ЭХОМЕТР», Dynapump), датчики нагрузки могут быть на­ кладными (на полированный шток) или встраиваемые в канат­ ную подвеску станка-качалки. Полученные в результате заме­ ров динамограммы передаются на компьютеры по физическим линиям (проводные системы) или по системам радиосвязи. В некоторых конструкциях фирмы «Микон» (г. Набережные Челны) и фирмы «СИАМ» (г. Томск) микроЭВМ встроена в прибор, совмещенный с датчиком нагрузки. В этом случае мик­ роЭВМ оснащена и датчиком акселерометром, заменяющим датчик перемещения полированного штока. Обработка дина­ мограммы проводится компьютером по заданной программе, которая в основном повторяет методику, представленную в настоящем разделе книги. Кроме динамограмм указанные си­ стемы могут проводить замеры ваттметрограмм для определе­ ния уравновешенности станка-качалки. Некоторые из совре­ менных систем диагностики пытаются воссоздать принципы, заложенные в СДНУ-ЗМ в начале 90-х годов XX века: тести­ рование клапанов скважинного штангового насоса, определе­ ние негерметичных интервалов колонны НКТ, использование системы для точного определения действительного дебита на­ сосной установки, построение плунжерной динамограммы с определением нагрузок в штанговой колонне в любом ее се­ чении (рис. 7.80, 7.81).

Кроме отсутствия субъективного подхода к анализу динамограмм и ваттметрограмм, электронные системы диагностики име­ ют важное преимущество, заключающееся в сохранении всех данных по исследованию скважин в хронологическом порядке. Это позволило создавать базы данных на нефтедобывающих пред­ приятиях, которые используются для отслеживания правильно­ сти разработки месторождения и движения нефтепромыслового оборудования.

7.2.11. СКВАЖИННЫЕ ШТАНГОВЫЕ НАСОСЫ -

ОСНОВНЫЕ ВИДЫ И ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ

Скважинный штанговый насос представляет собой одноплун­ жерный насос с длинным цилиндром, шариковыми клапанами и длинным проходным плунжером (рис. 7.82). При ходе плун­ жера вверх он нагнетает жидкость, находящуюся между стен­ ками цилиндра и штангами, а в полость под плунжером посту­ пает жидкость из скважины. При ходе вниз насос нагнетает (вы­ жимает) объем жидкости, равный объему опускающегося в ци­ линдр штока, т.е. это на­ сос дифференциального действия.

По конструкции насо­ сы бывают с щелевым уп­ лотнением зазора между металлическим плунже­ ром и цилиндром и с уп­ ругим уплотнением этого зазора — с неметалличес­ кой рабочей поверхнос­ тью плунжера или со спе­ циальными поршневыми кольцами. Скважинные штанговые насосы делят­ ся на трубные и вставные. У первых цилиндр в сква­ жину спускается на тру-

Рис. 7.82. Конструктивные схемы невставных (трубных)

насосов:

/ — ш т ок клапана; 2 — м уф ты ;

3 — втулки; 4 — к о ж у х ; 5 — п л у н ж е р ; 6 — нагнетательны й клапан; 7 — захват клапана; 8 —

крестовина; 9 — всасы в аю щ и й

клапан

бах, а плунжер и клапаны — на штангах. Вставные насосы спус­ каются в скважину в собранном виде на штангах и фиксируются

внижней части колонны НКТ замком (анкером).

Вотличие от остальных насосов к основным параметрам сква­ жинных штанговых насосов относятся номинальный диаметр плунжера (или цилиндра) и длина хода плунжера. Схемы насосов и их основные параметры установлены с 2002 года государствен­ ным стандартом Российской Федерации (ГОСТ-Р 51896-2002), а до этого времени — отраслевым стандартом (ОСТ) и техничес­ кими условиями (ТУ). Конструктивные схемы скважинных штан­ говых насосов, предусмотренных ГОСТ-P, и их технические ха­ рактеристики будут представлены ниже [31].

Условные диаметры скважинных насосов (плунжеров и ци­ линдров) выбираются из следующего стандартного ряда: 27 (29 - по ОСТ и ТУ), 32, 38, 44, 50, 57, 63, 70, 95, 120 мм.

Длина плунжера скважинного штангового насоса выбирается

взависимости от требуемого напора насоса (глубины располо­ жения динамического уровня, с которого насос должен обеспе­ чить подъем пластовой жидкости). Плунжеры длиной 1200 мм рекомендуется применять до динамического уровня с глубиной до 1200 м, 1500 мм — до 1500 м, 1800 мм — 1800 м и более.

Современные скважинные штанговые насосы, широко при­ меняемые на промыслах, имеют составной (втулочный) или безвтулочный (цельнометаллический) цилиндр.

Втулочный насос (например — НВ1С) имеет цилиндр, на­ бранный из втулок 3 длиной по 304 мм, размещенных в кожухе 4 и зажатых концевыми муфтами 2. К нижней муфте подсоеди­ нен узел всасывающего клапана 9. В цилиндре движется плун­ жер 5, имеющий узел нагнетательного клапана 6 (см. рис. 7.82).

Насос с безвтулочным цилиндром (НВ1Б, НВ2Б, НН2Б и др) имеет цельный цилиндр с концевыми резьбами. К резьбе подсо­ единены переводники. К нижнему переводнику подсоединен узел всасывающего клапана, к верхнему — ограничитель хода плун­ жера. В цилиндре находится плунжер с нагнетательным клапа­ ном. Цельнометаллический цилиндр представляет собой цилин­ дрическое тело, внутренняя поверхность которого является ра­ бочей. Эта поверхность имеет малую шероховатость, высокую точность обработки и большую твердость, такую же, как и у втулок втулочного цилиндра.

Переход от втулочного к цельнометаллическому цилиндру позволяет уменьшить наружный диаметр цилиндра, а также сни­ зить трудоемкость сборки насоса и изготовления цилиндра. Уст­ раняется возможность сдвига втулок цилиндра при транспорти­ ровке, монтаже и эксплуатации насосов. Насосы с цилиндром без втулок изготавливаются трубными (насосы НН2Б, ННБА и др.) и вставными (насосы НВ1Б, НВ2Б).

Рассмотрим схемы и конструктивные особенности некото­ рых типов скважинных штанговых насосов широкого применения.

Трубные (невставные) скважинные насосы (НН) выполняют не­ скольких типов — НН1, НН2, ННА. Насос НН1 (см. рис. 7.82, а) состоит из штока с утолщением в верхнем конце, служащего для съема всасывающего клапана с его посадочного конуса и подъе­ ма клапана на поверхность вместе с плунжером. Цилиндр насо­ са остается подвешенным на трубах. Узел нагнетательного кла­ пана находится в верхней части плунжера. На данном рисунке показано нижнее положение плунжера при рабочем ходе. Подъем на поверхность всасывающего клапана удобен и прост. Но на­ личие штока в конструкции и размещение нагнетательного кла­ пана в верхнем торце плунжера создают большое мертвое про­ странство Ум в цилиндре насоса, что является причиной плохой работы насоса даже при небольшом газосодержании в жидко­ сти. Для устранения этого недостатка необходимо уменьшить мертвое пространство в насосе. Для этого нагнетательный кла­ пан переносят в нижнюю часть плунжера и применяют специ­ альный байонетный захват 7 и крестовину 5 для съема всасыва­ ющего клапана (см. рис. 7.82, б). Насос такой конструкции име­ ет шифр НН2. Его преимущество — небольшое мертвое про­ странство Ум в цилиндре насоса, что улучшает работу насоса при наличии свободного газа в жидкости. Однако захват и подъем на поверхность всасывающего клапана обычно трудоемкая и не всегда успешная операция, особенно в случае возможности от­ ложения на деталях насоса асфальто-парафиновых и смолистых веществ.

Вставной насос (НВ) имеет следующую конструкцию (рис. 7.83). Насос 5 опускают внутрь колонны НКТ 1, в которой установле­ но седло-конус 3 для посадки вставного насоса. Конус иногда имеет захватную пружину 4. Силы трения в конусе или силы трения и пружина, упирающаяся в выступ насоса, способствуют

удержанию насоса на месте в начале работы при ходе плунжера вверх. К достоинствам насоса относится то, что при его смене он поднимается на поверхность земли на штангах без подъема колонны НКТ. Плунжер, имеющий нагнетательный клапан в нижней своей части, создает малое мертвое пространство. Но, поскольку насос спускается внутрь колонны НКТ, он имеет мень­ ший диаметр плунжера, чем трубный насос, спускаемый с теми же НКТ. Это ограничивает подачу вставного насоса, а также снижает скорость течения жидкости в НКТ. Последнее важно при отборе жидкости с песком, так как вынос его будет хуже. Обратный клапан 2 предохраняет от попадания песка в цилиндр при остановках насоса.

Современные вставные насосы типов НВ1 (с установочным замком в верхней части насоса) и НВ2 (с замком внизу) могут выпускаться со сдвоенными всасывающими и сдвоенными нагнетальными клапанами. Такое дублирование клапанов принято из-за того, что вставные на­ сосы обычно предназначены для спуска на боль­ шую глубину, чем трубные.

Рис. 7.83. Схема вставного насоса

/ — НКТ; 2 — обратный клапан; 3 — седло; 4 — пружи­ на; 5 — насос; 6 — направление

Трубные насосы типа ННА с автоматическим сцеплением штанг со штоком плунжера насоса спускаются в сборе на ко­ лонне НКТ. Штанги спускаются после спуска насоса на задан­ ную глубину и автоматически соединяются со штоком плунже­ ра. Конструкцией насоса предусмотрено автоматическое рассо­ единение колонны штанг и штока плунжера перед подъемом насоса и открытие сливного клапана для опорожнения колонны НКТ от откачиваемой жидкости.

Такая схема насоса позволяет спускать цилиндр диаметром большим, чем внутренний диаметр НКТ. Это дает экономию

металла и позволяет иметь большую скорость потока жидкости при подъеме ее на поверхность. Последнее важно при отборе жидкости с песком для уменьшения возможности его оседания. Еще одним преимуществом данной конструкции насоса являет­ ся отсутствие износа или повреждения плунжера невставного насоса при его спуске в колонну НКТ.

Все насосы с металлическим плунжером и цилиндром имеют унифицированные детали. В зависимости от величины зазора между плунжером и цилиндром, выпускаются насосы пяти групп посадок (зазоров между плунжером и цилиндром насоса):

1 группа посадки — от 0 до 0,063 мм;

2 группа посадки — от 0,025 до 0,078 мм;

3 группа посадки — от 0,050 до 0,113 мм;

4 группа посадки — от 0,075 до 0,138 мм;

5 группа посадки — от 0,100 до 0,163 мм.

При оснащении скважины насосом группа посадки выбира­ ется в зависимости от вязкости откачиваемой жидкости, содер­ жания в ней песка, размера его частиц и т.д.

Плунжеры насосов изготавливают из стали и покрывают из­ носоустойчивым слоем хрома толщиной до 70 мкм. Плунжер может иметь концентричные или винтовые канавки, насечку. Канавки и насечка предохраняют плунжер от заклинивания пес­ ком. Для скважин с большим выносом песка применяют плун­ жер «пескобрей». Он имеет скошенную внутрь плунжера верх­ нюю кромку и углубленную в плунжер клетку, соединяющую его со штангами. Таким образом, плунжер как бы сбривает ме­ ханические примеси со стенок цилиндра. Примеси поступают к клетке клапана, где их подхватывает поток откачиваемой жид­ кости, выносящий механические примеси из зоны контакта плун­ жер-цилиндр. Другие виды плунжеров для скважинных штанго­ вых насосов рассмотрены ниже.

Втулки цилиндра выполняют из чугуна, стали марки 45 или 38Х2МЮА. Для упрочнения внутренней поверхности втулок их подвергают термообработке. Втулки из чугуна и ст. 45 подверга­ ют закалке, а из стали марки 38Х2МЮА — азотированию на глубину 0,2—0,5 мм. В результате термообработки твердость внутренней поверхности втулок доводится у чугуна до HRC 36...45,

устали 45 — до HRC 50 и у стали марки 38Х2МЮА до HRA 80

иболее.

Втулки выполняют с большой точностью, так как в наборе их может быть 12 и более. Контакт их торцов при сжатии втулок должен быть герметичен, а внутренняя полость сборки втулок должна представлять собой прямолинейный цилиндр с малой шерохова-тостью и малым отклонением в размерах цилиндра.

Цельнометаллический цилиндр изготовляется из стали мар­ ки 40Х. К внутренней поверхности его предъявляются те же тре­ бования, что и к втулочному цилиндру. Клапаны насосов шари­ ковые. Шарик притирается к седлу. Седло имеет меньшую твер­ дость, чем шар, что увеличивает срок службы этой пары. Рабо­ чая кромка седла углублена и защищена «ложной» фаской от ударов шаром.

Насосы с неметаллической рабочей поверхностью плунже­ ра типа НВ1м и НН2м могут иметь гуммированный плунжер (рис. 7.84) или плунжер с манжетами.

Рис. 7.84. Схема гуммированного плунжера

Гуммированный плунжер изготовляют вулканизацией или приклеиванием резиновых частей к плунжеру. Верхнее уплотне­ ние имеет подвод жидкости из плунжера в свою внутреннюю полость. Поскольку нагнетательный клапан расположен внизу плунжера, под действием давления жидкости распирается верх­ нее уплотнение. Остальные гуммированные части изготовлены так, что входят в цилиндр с натягом и тоже воспринимают опре­ деленную часть перепада давления. На плунжере обычно имеет­ ся четыре-шесть гуммированных уплотнений или манжет.

Цилиндры этих насосов делают без втулок и с втулками. Раз­ мер диаметра цилиндра не требует высокой точности, но повер­ хность его должна иметь весьма малую шероховатость. Такие насосы значительно дешевле втулочных. Но большого перепада давления они не выдерживают и предназначены для малых и средних величин динамического уровня. Ограничено также со­