7.5. Установки штангових гвинтових насосів для видобутку нафти
Ще одним видом штангових насосних установок для видобутку нафти є гвинтові насосні штангові установки (ВШНУ) з поверхневим приводом. Їх історія починається в 50-і роки XX століття від установок, що випускалися в СРСР, гвинтових артезіанських насосів типу ВАН для відкачування води з неглибоких (до 100 м) свердловин з приводом через зібраний зі штанг трансмісійний вал, що обертається в радіальних гумометалевих опорах всередині напірного трубопроводу.
ВШНУ для відбору пластових рідин з глибоких нафтових свердловин з'явилися на нафтопромисловому ринку на початку 80-х років у США та Франції. В даний час створено велику кількість типорозмірів ВШНУ з діапазоном подач від 0,5 до 1000 м3/добу та тиском від 6 до 30 МПа.
Причиною досить широкого застосування ВШНУ є їх техніко-економічні переваги в порівнянні з іншими механізованими способами видобутку нафти:
порівняно із СШНУ.
простота конструкції та мала маса приводу;
відсутність необхідності у зведенні фундаментів під привод установки;
простота транспортування, монтажу та обслуговування;
широкий діапазон фізико-хімічних властивостей пластових рідин, що відкачуються (можливість відкачування рідин високої в'язкості і підвищеного газовмісту);
врівноваженість приводу, сталість навантажень, що діють на штанги, рівномірність потоку рідини, зниження енерговитрат і потужності приводного двигуна, мінімальний емульгувальний вплив на рідину, що відкачується;
відсутність клапанів у свердловинному насосі;
в порівнянні з УЕВН:
простота конструкції насоса (відсутні шарнірні з'єднання, пускові муфти, радіальні та осьові підшипники);
наземне розташування приводного електродвигуна, що призводить до його зниженнявартості та до відсутності дорогих гідрозахисту та довгого броньованого кабелю.
7.5.1. Склад установки та її особливості
ВШНУ (рис. 7.23) включають до свого складу наземне та свердловинне обладнання.
Наземне обладнання ВШНУ встановлюється на трубній головці свердловини і призначене для перетворення енергії приводного двигуна в механічну енергію колони, що обертається штанг.
Н
трійника для відведення пластової рідини;
рами для кріплення приводного двигуна;
приводного двигуна із пристроєм управління;
пристрої для затискання (підвіски) полірованого штока
Привідна головка призначена для передачі моменту, що крутить, колоні штанг, сприйняття осьових навантажень від ваги штанг і гідравлічної сили в робочих органах насоса, ущільнення гирла свердловини.
Конструктивно приводна головка виконана на базі корпусу, що встановлюється на трійник-відведення за допомогою фланцевого або різьбового з'єднання. Усередині корпусу, заповненого олією, на підшипниках кочення розташовується приводний вал, пов'язаний із веденим шківом силової передачі. Як упорний підшипник, що сприймає осьове навантаження, використовуються конічний або сферичний роликові підшипники. Для ущільнення приводного валу, що обертається, або полірованого штока служить одинарний або здвоєний сальниковий пристрій з використанням ущільнювальних кілець або м'якого набивання.
Для запобігання зворотному обертанню колони штанг після зупинки приводного двигуна приводна головка оснащується гальмівним пристроєм механічного або гідравлічного типу. Цей пристрій необхідний для сприйняття моменту кручення від колони насосних штанг і не допускає відвороту різьблення штанг і зворотного обертання, яксамої колони штанг, так і елементів приводної голівки та трансмісії.
В окремих компонуваннях ВШНУ для зручності обслуговування установки під приводною головкою встановлюється додатковий сальник або плашковий превентор. Перший служить для заміни основного сальника без зупинки насоса, що є особливо актуальним у зимових умовах експлуатації ВШНУ, другий — для герметизації гирла свердловини при ремонті поверхневого обладнання.
У ряді моделей ВШНУ зарубіжних фірм приводна головка забезпечується обмежувачем моменту, що крутить.
Рама під приводний двигун при використанні клинопасової силової передачі оснащується пристроєм натягу ременів.
Затискач полірованого штока, як правило, здійснюється двома напівхомутами, внутрішня циліндрична поверхня яких закріплюється зі штоком за допомогою чотирьох або шести болтів, а зовнішня профільована поверхня (наприклад, прямокутна) вставляється в маточину приводного валу.
Свердловинне обладнання ВШНУскладається з колони НКТ, в нижній частині якої встановлюється статор насоса і обертається в центраторах колони штанг, нижній кінець якої з'єднаний з ротором насоса.
Компонування низу колони НКТ залежно та умовами експлуатації свердловини включає такі елементи: фільтр; газовий та пісочний сепаратори; динамічний якір (анкер); центратор чи ліхтар статора; зворотний та циркуляційний клапани; завзятий палець насоса. Динамічний якір, що встановлюється нижче статора, фіксує НКТ щодо експлуатаційної колони в радіальному напрямку, припускаючи їх вертикальне переміщення. Включення у свердловинне обладнання ВШНУ якоря обумовлено тим, що при правому (за годинниковою стрілкою) обертанні штангової колони реактивний момент, що виникає на корпусі статора насоса,працює на відворот різьблення статора і НКТ. Якір виконується на основі фрикційного механізму, що приводить в дію плашки при виникненні моменту, що крутить. Якір доцільно використовувати при великих моментах, що крутять, обумовлених діаметром гвинта або тиском насоса. За відсутності якоря при монтажі ВШНУ необхідно забезпечити необхідний момент кріплення різьбових з'єднань НКТ.
Завзятий палець у насосі служить для правильного припасування довжини колони штанг при монтажі гвинтового насоса.
Штангові центратори, що не обертаються, виконують функцію проміжних радіальних опор, можуть бути представлені в двох конструктивних виконаннях:
нерозбірні, розміщені безпосередньо на повнорозмірній або укороченій штанзі за спеціальною технологією у заводських умовах;
розбірні, які встановлюються між муфтами стандартних штанг.
Найбільш раціонально застосовувати штангові центратори, що забезпечують їхню нерухомість щодо колони НКТ, що призводить до зниження витрати електроенергії та зносу НКТ. Центратори виконуються із пластмас або композитних матеріалів, працездатних у різних середовищах та температурних умовах.
Кілька нижніх штанг, розташованих у безпосередній близькості до ротора, що ексцентрично обертається, центраторами не оснащуються.
Надійність роботи ВШНУ багато в чому залежить від точності осьового підганяння ротора в статор, що визначається по розвантаженню ваги колони штанг за допомогою індикатора ваги на підйомному агрегаті або обертання колони штанг при переміщенні ротора в статорі. Для осьового підганяння ротора в компонування колони штанг, також як і в СШНУ, включаються укорочені штанги довжиною від 1 до 3 м. Точне підганяння, як і в СШНУ, забезпечується за рахунок захоплення полірованого штока (у ВШНУ, що має назвуполірованого або приводного валу) спеціальними напівхомутами у будь-якому місці поверхні.
При роботі установки ВШН пластова рідина, що піднімається, рухається в кільцевому зазорі між колонами НКТ і штанг і далі через бічний відвід трійника надходить у промисловий колектор.
У ВШНУ найбільшого поширення набули НКТ та насосні штанги діаметром відповідно 73 та 22 мм. В установках використовуються стандартні поліровані штоки діаметром 31 та 36 мм.