СКВАЖИННАЯ НАСОСНАЯ УСТАНОВКА

Предложение относится к нефтедобывающей промышленности, в частности к скважинным насосным установкам, и может быть использовано при эксплуатации скважин с повышенным устьевым давлением, в частности при добыче пластовой воды для подачи в нагнетательные скважины в системе поддержания пластового давления (ППД) при разработке нефтяных месторождений заводнением.
Известна скважинная штанговая насосная установка, содержащая штанговый насос с цилиндром и установленным в его полости плунжером, колонны насосных труб и штанг, устьевую арматуру, устьевой полированный шток, передающий возвратно-поступательное движение от наземного привода колонне штанг, а также установленный несколько выше штангового насоса гидравлический компенсатор, выполненный в виде размещенного в колонне насосных труб корпуса с продольными каналами для прохода добываемой жидкости, в котором установлен компенсирующий цилиндр, герметизированный манжетами. В компенсирующем цилиндре размещен глухой плунжер со штоком, выход которого в колонну насосных труб герметизирован специальным сальником, причем плунжер со штоком вставлен в разрыв колонны штанг, а полость цилиндра между плунжером и сальником сообщена радиальными каналами с кольцевым пространством между эксплуатационной колонной скважины и колонной насосных труб (книга Драготеску Н.Д. Глубиннонасосная добыча нефти. - М: «Недра», 1966. Стр.340-341, рис.243).
Недостатком установки является сложная конструкция и низкая надежность, сложность монтажа в скважине. Кроме того, при применении известного устройства в скважинах с повышенным устьевым давлением, часть колонны штанг выше гидравлического компенсатора подвергается действию дополнительной нагрузки от устьевого давления, что снижает ее прочность и приводит к увеличению непроизводительной потери хода плунжера насоса из-за упругой деформации штанг. На устьевой шток действует выталкивающая сила, затрудняющая ход штанг вниз и приводящая также к ограничению производительности установки. Эффективность работы устройства снижается при высоком уровне жидкости в скважине.
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой установке является «Скважинная насосная установка» (а.с. SU №914806, F 04 В 47/02. Опубл. Бюл. №11 от 23.03.1982), содержащая станок-качалку с головкой балансира, штанговый насос с цилиндром и установленным в его полости плунжером, колонны насосных труб и штанг,
устьевую арматуру, устьевой полированный шток, передающий возвратно-поступательное движение от станка-качалки колонне штанг, а также установленный выше штангового насоса дополнительный плунжерный насос, цилиндр которого расположен в колонне насосных труб и связан с затрубным пространством, а плунжер установлен на колонне насосных труб, при этом дополнительный плунжерный насос расположен непосредственно перед участком набора кривизны ствола скважин, его рабочая пара цилиндр-плунжер выполнена дифференциальной с полым плунжером и установленным в нем обратным клапаном, при этом малая ступень дифференциального плунжера связана с головкой балансира, а его большая ступень - с плунжером штангового насоса, диаметр которого больше диаметра меньшей и меньше диаметра большей ступеней дифференциального плунжера.
Недостатком установки является сложная конструкция и низкая надежность, сложность монтажа в скважине. Кроме того, при применении известного устройства в скважинах с повышенным устьевым давлением, часть колонны штанг выше дополнительного плунжерного насоса с дифференциальным плунжером подвергается действию дополнительной нагрузки от устьевого давления, что снижает ресурс ее работы и приводит к увеличению непроизводительной потери хода плунжера насоса из-за упругой деформации штанг. На устьевой шток действует выталкивающая сила, затрудняющая ход штанг вниз и приводящая также к ограничению производительности установки. Эффективность работы устройства снижается при высоком уровне жидкости в скважине.
Техническая задача устройства состоит в том, чтобы упростить конструкцию и повысить надежность работы установки в скважинах с высоким устьевым давлением, разгрузить от действия устьевого давления всю колонну штанг, исключить действие выталкивающей силы на устьевой шток при ходе вниз, обеспечить эффективность работы установки при высоком уровне жидкости в скважине.
Техническая задача решается скважинной насосной установкой, содержащей наземный привод, штанговый насос с цилиндром и установленным в его полости плунжером, колонны насосных труб и штанг, устьевую арматуру с выкидной линией, устьевой полированный шток, передающий возвратно-поступательное движение от наземного привода колонне штанг, а также установленный выше штангового насоса дополнительный плунжерный насос, цилиндр которого расположен в колонне насосных труб, а его плунжер оснащен полостью, содержащей обратный клапан, и соединен снизу с плунжером штангового насоса посредством колонны насосных штанг.
Новым является то, что цилиндр дополнительного плунжерного насоса сверху присоединен к устьевой арматуре, а его плунжер присоединен к наземному приводу
устьевым полированным штоком, причем подплунжерная полость дополнительного плунжерного насоса сообщена с его надплунжерной полостью и выкидной линией устьевой арматуры через полость с обратным клапаном плунжера дополнительного плунжерного насоса, при этом выкидная линия оборудована обратным клапаном.
На чертеже представлена принципиальная схема скважинной штанговой насосной установки.
Скважинная штанговая насосная установка состоит из наземного привода (на черт. не показан), штангового насоса 1 с цилиндром 2 и установленным в его полости плунжером 3, колонн насосных труб 4 и штанг 5, устьевой арматуры 6 с выкидной линией 7, устьевого полированного штока 8, передающего возвратно-поступательное движение от наземного привода колонне насосных штанг 5, а также установленного выше штангового насоса 1 дополнительного плунжерного насоса 9, цилиндр 10 которого расположен в колонне насосных труб 4, а его плунжер 11 оснащен полостью 12, содержащей обратный клапан 13, и соединен снизу с плунжером 3 штангового насоса 1 посредством колонны насосных штанг 5. Цилиндр 10 дополнительного плунжерного насоса 9 сверху присоединен к устьевой арматуре 6. а его плунжер 11 присоединен к наземному приводу через устьевой полированный шток 8. Подплунжерная полость 14 дополнительного плунжерного насоса 9 сообщена с его надплунжерной полостью 15 и выкидной линией 7 устьевой арматуры 6 через полость 12 с обратным клапаном 13 плунжера 11 дополнительного плунжерного насоса 9. Выкидная линия оборудована обратным клапаном 16
Устройство работает следующим образом. Скважинную насосную установку предварительно устанавливают в скважине 17, после чего устанавливают устьевую арматуру 5 с выкидной линией 7, жестко соединяя ее с цилиндром 10 дополнительного плунжерного насоса 9, и герметизируют устьевой полированный шток 8, который соединяют с наземным приводом (не показан). После этого устьевой полированный шток 8 приводится в возвратно-поступательное движение наземным приводом. Движение от устьевого полированного штока 8 через плунжер 11 дополнительного плунжерного насоса 9 передается колонне насосных штанг 5, которая, в свою очередь, приводит в возвратно-поступательное движение плунжер 3 штангового насоса 1. При ходе вниз всасывающий клапан 18 штангового насоса 1 закрывается и порция жидкости из цилиндра 2 штангового насоса 1 поступает в полость колонны насосных труб 4 через открытый нагнетательный клапан 19. При ходе вверх нагнетательный клапан 19 в плунжере 2 штангового насоса закрывается, и жидкость в колонне насосных труб 4 поднимается, одновременно происходит заполнение цилиндра 2 штангового насоса 1 через открывшийся всасывающий клапан 18 следующей порцией жидкости. В начале каждого хода вверх колонна насосных
штанг 5 воспринимает нагрузку от веса столба жидкости в колонне насосных труб 4 и удлиняется на величину, прямо пропорциональную величине нагрузки от столба жидкости и длине колонны насосных штанг 5 и обратно пропорциональную модулю упругости материала и площади поперечного сечения колонны насосных штанг 5, вследствие чего ход плунжера 3 штангового насоса 1 оказывается на эту величину меньше хода устьевого полированного штока 8. Таким образом, при одинаковом диаметре плунжеров 3 и 11 штангового насоса 1 и дополнительного плунжерного насоса 9, производительность дополнительного плунжерного насоса 9 будет превышать производительность штангового насоса 1, под плунжером 11 при ходе вверх образуется разрыв жидкости, клапан 13, находящийся в полости 12 плунжера 11 оказывается закрытым в течение всего хода вверх. В результате на плунжер 3 штангового насоса 1 при ходе вверх действует только нагрузка от веса столба жидкости в колонне насосных труб 4 высотой от штангового насоса 1 до дополнительного плунжерного насоса 9, а вся нагрузка от устьевого давления (которое в системе поддержания пластового давления (ППД) может достигать 14 и более МПа) воспринимается плунжером 11 дополнительного плунжерного насоса 9 и через устьевой шток 6 передается на наземный привод. Таким образом, в предлагаемой установке дополнительный плунжерный насос 9 работает в качестве «дожимного», нагнетая поднятую из скважины штанговым насосом 1 жидкость под необходимым давлением через обратный клапан 16 в выкидную линию скважины 7. При ходе вниз обратный клапан 16 закрывается и повышенное устьевое давление из выкидной линии 7 не передается в надплунженую полость 15 цилиндра 10 дополнительного плунжерного насоса 9. В этой полости 15 образуется разрежение, клапан 13 в полости 12 плунжера 11 открывается и в указанную полость 15 в течение хода вниз из подплунжерной полости 14 поступает очередная порция жидкости из колонны насосных труб 4. Далее циклы повторяются. Поскольку надплунжерная полость 15 дополнительного плунжерного насоса 9, в которую входит устьевой полированный шток 8, оказывается отсеченной обратным клапаном 16 от действия давления в выкидной линии 7 при ходе вниз, на устьевой полированный шток 8 не действует выталкивающая сила, препятствующая его ходу вниз. Работа дополнительного плунжерного насоса 9 в предлагаемой установке не зависит от уровня жидкости в скважине.
Таким образом, предлагаемая скважинная насосная установка имеет более простую конструкцию, высокую надежность в работе. В ней, в отличие от аналогов, вся колонна штанг разгружена от действия устьевого давления, выше КПД установки за счет меньшей величины непроизводительной потери хода плунжера штангового насоса в периоды начальной деформации штанг (у аналогов нагрузка на плунжер складывается из
двух составляющих: веса столба жидкости в колонне насосных труб над штанговым насосом и устьевого давления, передающегося столбом жидкости в насосных трубах на плунжер насоса, а предлагаемой установке - только от веса столба жидкости). На устьевой шток при ходе вниз не действует выталкивающая сила (у аналогов при устьевом давлении, например 14 МПа и диаметре штока 38,1 мм выталкивающая сила превышает 15930 Н и для исключения возможности «зависания» штанг при ходе вниз должна быть скомпенсирована дополнительным весом штанг). Установка работоспособна при высоком уровне жидкости в скважине.
При применении установки для откачки жидкости из скважины при повышенной величине устьевого давления, в частности, в системе ППД при межскважинной перекачке воды, достигается снижение нагрузок на штанги, что позволяет увеличить глубину спуска насоса (глубину откачки жидкости) или увеличить производительность насосной установки за счет увеличения диаметра насоса, а в скважинах с высоким динамическим уровнем жидкости - возможность уменьшения глубины спуска насоса и снижение материальных затрат за счет экономии насосных штанг и насосных труб (т.е. нет необходимости вешать лишние насосные штанги в качестве груза для компенсации выталкивающей силы, действующей на устьевой шток).