Класифікація глибинних штангових насосів, технічні показники

Відповідно до ГОСТ 6444-78 свердловинні штангові насоси виготовляються наступних типів (рис. 1.6.2):

НСВ1 – уставний, одноступінчастий, одноплунжерний із втулковим циліндром і замком нагорі;

НСВ2 – те ж із замком унизу;

НСВГ – уставний, одноступінчастий, двоплунжерний із втулковим циліндром і замком нагорі;

НСН1 – невставний, одноступінчастий, одноплунжерний із втулковим циліндром і захопленням штока;

НСН2 – те ж з уловлювачем;

НСНА – те ж з автозчепом;

НСВ1Б – уставний, одноступінчастий, одноплунжерний, із безвтулковим циліндром і замком угорі;

НСН2Б – невставний, одноступінчастий, одноплунжерний із безвтулковим циліндром й уловлювачем.

Додаткові букви в шифрі такі:

П – із сідлами клапанів із твердого сплаву;

В – із сідлами клапанів із твердого сплаву та піскозахисним пристроєм;

Т – із сідлами клапанів із твердого сплаву і порожнім штоком.

На цей час випускаються глибинні штангові насоси стандартів: ГОСТ 633-80; ОСТ26.16.06-86; американського нафтового інституту (АРІ) – специфікація 11АХ та 15 основних типів (USA) й ін. Основи компонування в них залишаються практично такими ж, як і у виконаних за ГОСТ 6444-78 (рис. 1.6.2), а безпосереднє конструктивне виконання найважливіших вузлів – плунжера, циліндра, клапанів – має суттєві відмінності.

Основною відмінністю вставних глибинних штангових насосів є те, що вони мають власний корпус, із яким і спускаються до місця закріплення в колоні насосно-компресорних труб. Трубні насоси як корпус використовують хвостовик колони НКТ та монтуються окремо: спочатку хвостовик із колоною, а потім – усмоктувальний клапан із плунжером.

Найбільшого поширення дістали невставні, чи трубні, насоси. Вони відрізняються простотою конструкції, застосовують їх головним чином у свердловинах, що експлуатуються з великим міжремонтним періодом і з великими дебетами. Випускають невставні насоси з умовним діаметром 28, 32, 43, 55, 68 і 93 мм із довжиною ходу плунжера від 0, 6 до 4, 5 м. Недоліком цих насосів є необхідність підйому всієї колони насосно-компресорних труб для зміни насоса чи його ремонту.

Рисунок 1.6.2 – Свердловинні штангові насоси

Застосування вставних насосів значно прискорює й спрощує ремонт свердловин за рахунок того, що насос у зібраному вигляді спускають та витягають зі свердловини на штангах без підйому насосно-компресорних труб. Вставні насоси випускають з умовним діаметром 28, 32, 38, 43 і 55 мм із довжиною ходу плунжера від 1, 2 до 6, 0 м. Використовують їх для підйому рідини з глибоких свердловин.

В умовну позначку насоса повинні входити: тип насоса, виконання, умовний розмір у мм, довжина ходу плунжера в мм, зменшена в 100 разів, і найбільша довжина спуску насоса в м, також зменшена в 100 разів.

Наприклад, НСВ1-28-30-15 – уставний, одноступінчастий, одноплунжерний зі втулковим циліндром і замком нагорі, в якого 28 – діаметр насоса, 30 ´ 100 – хід плунжера в мм та 15 ´ 100 – найбільша глибина спуску насоса в м.

Типові конструкції глибинних штангових насосів уставного та невгавного типів наведено на рисунку 1.6.2.

Циліндр глибинного штангового насоса може бути виготовлений з однієї труби чи зібраний з окремих втулок. У першому випадкові конструкція являє собою циліндр із приєднувальним різьбленням на кінцях, внутрішня робоча поверхня якого оброблена з високим класом точності. В другому випадку конструкція циліндра складніша – вона являє собою кожух, у котрому встановлюються втулки (звичайно довжиною 300 мм) із внутрішньою робочою поверхнею й обробленими торцями. Набір втулок установлюється у кожусі, стягується фасонними гайками, що нагвинчуються на кінці кожуха.

Обидва види циліндрів повинні мати чітку циліндричну внутрішню поверхню: в першому випадку це досягається у результаті спеціальної технології виготовлення, що забезпечує відповідну точність, а в другому – збиранням втулкового циліндра за допомогою спеціальних пристосувань – напрямних і муфт.

Кожна з конструкцій має свої переваги й недоліки: циліндр із цільної труби складніше виготовити, він дорожчий, проте зручніший в експлуатації, тому що забезпечує циліндричність робочої поверхні протягом усього терміну служби. Зовнішній діаметральний розмір його менший унаслідок відсутності кожуха. Останнє дозволяє виготовляти такі насоси з великим діаметром плунжера і забезпечує виконання замкової опори більш надійної конструкції.

Рисунок 1.6.3 – Свердловинні штангові насоси:

а – вставний: 1 – корпус насоса; 2 – плунжер з гумованими ущільненнями; 3 – нагнітальні клапани; 4 – всмоктувальні клапани; 5 – перевідник; 6 – перевідник нижній; 7 – перевідник верхній;

б – трубний: 1 – хвостовик колони НКТ; 2 – штанговий перевідник; 3, 4 – трубні перевідники; 5 – клапан усмоктувальний; 6 – шток; 7 – клапан нагнітальний

Циліндр, зібраний із втулок, дешевший у виготовленні, оскільки втулки одного діаметра уніфіковані для конструкцій насосів із різними довжинами ходів. Це спрощує збирання насоса і дає можливість одержання необхідної довжини ходу. Однак у процесі експлуатації співвісність окремих втулок порушується, у результаті чого плунжер заклинюється й насос виходить з ладу. Велике число стиків між торцями втулок також не бажане, оскільки загрожує появою витоків.

Плунжер являє собою трубу, зовнішня робоча поверхня якої оброблена з високою чистотою та точністю. На кінцях плунжер має різьблення для кріплення клапана й перевідник. Залежно від умов роботи насоса використовуються плунжери різних конструкцій.

Щодо проміжку між плунжером і циліндром насоси поділяються за посадками на наступні чотири групи: 0, I, II, IІІ із проміжками 0, 001 – 0, 020 мм; 0, 020 – 0, 070 мм; 0, 070 – 0, 120 мм та 0, 120 – 0, 170 мм відповідно. Для малов’язких нафт при великій висоті підйому рідини застосовують насоси 0-ї посадки. Для в’язких нафт у глибинах підвіски в межах 800 – 2200 м варто застосовувати насоси групи посадки І та ІІ. В обводнених і багатодебітних свердловинах рекомендується застосування насосів групи ІІІ.

Для експлуатації свердловин із нафтами без механічних домішок застосовують плунжери з гладкою зовнішньою поверхнею (рис. 1.6.3, а), а при вмісті у продукції піску на зовнішній поверхні плунжера роблять кільцеві канавки-пастки (рис. 1.6.3, б). При цьому окремі піщинки потрапляють у ці канавки й вірогідність пошкодження полірованих поверхонь плунжера і циліндра зменшується.

Рисунок 1.6.4 – Плунжери глибинних штангових насосів

Певного поширення також дістали плунжери з кільцевими ущільненнями (гумовані).

Усмоктувальний та нагнітальний клапани (рис. 1.6.5) є одними з найважливіших вузлів глибинних штангових насосів.

Нагнітальний клапан установлюється залежно від особливостей конструкції насоса, у верхній чи нижній частинах плунжера. Нагнітальний клапан кріпиться до плунжера за допомогою різьби. Клапан повинен мати якомога менший гідравлічний опір.

Рисунок 1.6.5 – Клапанні вузли свердловинних насосів:

а – насоса НГН1; б – насоса НГН2; в – насоса НГНЗ; 1 – корпус; 2 – стакан; 3 – кулька, 4 – сідло; 5 – наконечник-конус; г – конструкції Костиченка

Усмоктувальний клапан установлюється у нижній частині циліндра. Спосіб його кріплення визначається конструкцією насоса: в уставних насосів за допомогою нарізного сполучення, у трубних – за допомогою спеціального фіксатора для можливості вилучення клапана. В останньому випадку клапан повинен мати пристрій для його надійного закріплення і вилучення на поверхню, а також проведення зворотних операцій. Крім цього, має бути забезпечена герметичність стику посадкового вузла клапана. Як і нагнітальний, усмоктувальний клапан повинен мати якомога менший гідравлічний опір.

Основою конструкцій нагнітальних і всмоктувальних клапанів є сідло клапана й кулька (рис. 1.6.6).

Рисунок 1.6.6 – Кульові клапани:

а – з буртом; б – із гладкою зовнішньою поверхнею

Як показує практика, пара «кулька – сідло» відповідає всім вимогам, пропонованим до цього вузла. Останнім часом на деяких конструкціях глибинних насосів установлюють тарілчасті клапани (рис. 1.6.7).

Рисунок 1.6.7 – Тарілчастий усмоктувальний клапан глибинного штангового насоса трубного типу:

1 – клапан тарілчастий; 2 – обойма; 3 – сідло; 4 – хвостовик; 5 – напрямна; 6 –контрвантаж; 7 – гвинт

Така конструкція клапана дозволяє суттєво (у 1, 2…1, 45 разу) збільшити пропускну здатність клапанного вузла одночасно зі зменшенням гідравлічного опору просуванню рідини.

На відміну від ОСТА, стандарт АРІ (USA) не регламентує співвідношення діаметра отвору сідла й кульки (клапана). Цей параметр залишається на розсуд фірми-виготовлювача. Стандартні діаметри кульок – 19, 05, 23, 83, 28, 58, 31, 75, 34, 93 і 42, 88 мм; висота сідла для всіх діаметрів кульки – 12, 7 мм; зовнішні діаметри – 23, 32, 29, 67, 35, 26, 37, 54, 43, 69, 51, 05 мм із граничними відхиленнями: верхнім + 0, 00, нижнім – 0, 013 мм; діаметр фаски сідла обмежується за максимумом 22, 66, 28, 22, 33, 81, 36, 09, 41, 43, 48, 79 мм. По зовнішній стороні сідла стандарт АРІ допускає виконання фаски під кутом 45° або заокруглення радіусом, на розсуд виготовлювача. Матеріал стандартом не вказується, але за даними каталогів фірми SBS можуть застосовуватися як нержавіючі сталі, так і сталі з карбідвольфраму у вигляді вставок або матеріалу самої кульки та сідла.

Кожний глибинний штанговий насос характеризується набором конструктивних та технічних характеристик, котрі визначають його здатність виконувати роботу з підняття колоною насосно-компресорних труб рідкої сировини. До них відносять:

– тип виконання:

1) вставний або невставний;

2) зносостійкий, звичайний чі т. п.;

3) для вставних – із замковою опорою нагорі чи внизу;

– діаметральні розміри, мм (діаметр плунжера , зовнішній діаметр корпуса (для вставних));

– маса , кг;

– гідравлічний ККД ;

– ідеальна подача , м³/добу (приймається для можливості порівняльного аналізу насосів за створюваною продуктивністю. Умовно приймається кількість подвійних ходів за хвилину = 10 хв^-1 при гідравлічному ККД = 0, 75 та визначається показник продуктивності);

– максимальна глибина спуску насоса , м;

– довжина ходу плунжера , м;

– довжина плунжера , м.

Технічні показники деяких глибинних штангових насосів наведені в таблиці 1.6.1.

Таблиця 1.6.1 – Технічні характеристики штангових свердловинних насосів вставного та трубного типів

Виходячи з мінімально можливої кількості типорозмірів і забезпечення нормальної роботи всіх типорозмірів верстатів-качалок, а також можливості збирання необхідних за довжиною втулкових циліндрів (при довжині однієї втулки 300 мм), прийнято десять довжин ходу плунжера насоса – 0, 6, 0, 9, 1, 2, 1, 8, 2, 5, 3, 0, 3, 5, 4, 5, 5, 2 та 6, 0 м – з урахуванням можливості максимального добору при відповідній вантажопідйомності верстата-качалки. Прийняті також стандартні діаметральні розміри плунжерів: 28, 32, 38, 43, 55, 68, 93.