ДВУХСТУПЕНЧАТЫЙ ШТАНГОВЫЙ ГЛУБИННЫЙ НАСОС С НЕПРЕРЫВНОЙ СТЕКЛОПЛАСТИКОВОЙ ШТАНГОЙ

Двухступенчатый штанговый глубинный насос с непрерывной стеклопластиковой штангой относится к нефтедобыче и может быть использован при эксплуатации малодебитного фонда в скважинах с малым притоком как вертикальных, так и скважин с боковым стволом, для увеличения дебита скважины за счет повышения наработки на отказ, и снижения удельных эксплуатационных затрат
На текущий момент в АО «Самаранефтегаз» технологии эксплуатации малодебитного фонда скважин, оборудованных УЭЦН5 и УЭЦН2А и эксплуатируемых в режиме АПВ, не позволяют в полной мере использовать потенциал скважины. В настоящее время около 53 скважин имеют высокий потенциал увеличения суточной добычи, путем снижения уровня на приеме насоса, с помощью предлагаемой ниже компоновки двухступенчатого ШГН.
Основными критериями при проведении анализа, так же являются: низкий дебит, который составляет до 25 м3/сут, режим работы скважины АПВ и критическое давление на приеме насоса ниже 30 атм, таких кандидатов по АО «Самаранефтегаз» насчитывается порядка 7 скважин. Средняя наработка на отказ УЭЦН2А по АО «Самаранефтегаз» составляет 274 суток. Необходимо отметить, что в настоящее время значительное количество месторождений в Российской Федерации находится на завершающей стадии эксплуатации, при этом для снижения эксплуатационных затрат большое распространение получило бурение боковых стволов скважин (далее БС). На текущий момент динамика роста скважин с боковым стволом в ПАО НК «Роснефть» такова, что на 2020 год насчитывается порядка 10500 скважин. Исходя из существенной динамики количества скважин ЗБС, возникает проблема реализации максимального потенциала скважины, ведь существующие технологии не позволяют сделать этого в полной мере. Так же стоит отметить, что АО «Самаранефтегаз» несет большие затраты на электроэнергию, эксплуатируя низкодебитные УЭЦН, среднее удельное энергопотребление которых, составляет 22 кВт/м3. Итак, проанализировав сложившуюся ситуацию в АО «Самаранефтегаз», была определена следующая цель проектной работы. Разработать новые вариации моделей эксплуатации УШГН не только для вертикальных скважин, но и для скважин с боковым стволом, с применением инновационной технологии непрерывной стеклопластиковой штанги (далее - НШС). Интерес к применению стеклопластиковых насосных штанг вызван тем, что они, в отличие от стальных, имеют
3
малый удельный вес - 2,1 кг/дм;
не подвержена коррозии;
не подвержена отложениям АСПО;
напряжение сдвига 690 МПа;
многократное использование, экономия времени при спуске насосного оборудования;
непрерывная длина до 500 метров;
диаметр тела штанги - 22 мм;
при глубине спуска компоновки с обычным ШГН на 1200 м, растяжение составляет 1 м;
момент сопротивления изгибу выше, чем у канатной штанги, что исключает возможность перехлестывания в колонне НКТ.
Также применение НШС позволит получить дополнительную добычу нефти, за счет увеличения депрессии на продуктивный пласт при увеличении глубины спуска насоса. Благодаря меньшему весу штанговой колонны можно осуществлять освоение больших глубин без смены привода и увеличения максимальной нагрузки на головку балансира. За счет увеличения глубины спуска насоса, внедрение НШС в данном случае позволит перевести режим эксплуатации скважины из периодического в постоянный, что положительно скажется на снижении уровня обводненности продукции пласта и увеличении добычи нефти. Итак, посредством решения производственных задач была спроектирована компоновка оборудования двухступенчатого ШГН в совместной эксплуатации с непрерывной стеклопластиковой штангой. Новая концепция решения проблем эксплуатации глубинно-насосного оборудования (далее ГНО), для скважин с вертикальным стволом и для скважин с боковым стволом была разработана, исходя из следующих ключевых позиций:
увеличение дебита скважины (увеличение напора насоса ШГН), более полная реализация ее потенциала;
повышение межремонтного периода и средней наработки на отказ ГНО;
снижения нагрузок на привод насоса, внедрение в компоновку непрерывной стеклопластиковой штанги;
минимальное воздействие осложняющих факторов на детали и узлы насоса;
возможность работы ГНО как в боковом стволе, так и в вертикальной скважине;
упрощенный алгоритм монтажа и спуска в скважину при ТРС;
возможность проведения обратной промывки насоса без демонтажа привода ШГН и извлечения плунжера из цилиндра.
Из уровня техники известна «Насосная установка для эксплуатации наклонно-направленных скважин с большим отклонением от вертикали» по патенту RU 166 549 от 02.08.2016, опубликовано 27.11.2016, МПК Е21В 43/00 (2006.01) F04B 47/00 (2006.01), состоящая из колонны насосных штанг с центраторами, канатной штанги, установленной в месте интенсивного набора кривизны, заделок для соединения канатной штанги с плунжером насоса и колонной штанг, штангового насоса, состоящего из цилиндра, плунжера, штока, соединенного с плунжером, всасывающего и нагнетательного клапанов, отличающаяся тем, что ниже штангового насоса установлен вакуумный насос, состоящий из герметичного корпуса, внутри которого размещен поршень с перепускным клапаном, при этом поршень соединен со штоком штангового насоса, а корпус вакуумного насоса соединен с цилиндром штангового насоса переводником, в котором выполнены отверстия для прохода пластовой жидкости в цилиндр штангового насоса.
Но данная компоновка насосной установки не позволяет осуществлять работу верхнего насоса при возможном обрыве канатной штанги, соединяющей компоновку нижнего насоса. А также конструктив клапанных пар не позволяет вести эксплуатацию ГНО в боковом стволе.
Наиболее близкой по технической сути является «Штанговая глубинная насосная установка с увеличенной производительностью» по патенту RU 93896 от 31.08.2009, опубликовано: 10.05.2010 МПК F04B 47/02 (2006.01), состоящая из 2-х последовательно соединенных насосов с двумя не сообщающимися между собой цилиндрами, двумя плунжерами, расположенными на одном полированном штоке и соединенными с помощью автосцепа и автоотцепа с двумя нагнетательными клапанами и двумя всасывающими клапанами с фильтрами, верхний из которых расположен на боковой стенке удлинителя верхнего насоса, а фильтр и всасывающий клапан нижнего насоса расположены в хвостовике нижней части насоса, причем цилиндры соединены последовательно отрезком насосно-компрессорной трубы с сальниковым устройством и удлинителем верхнего насоса посредством муфт, а также из дополнительной трубки с обратным клапаном с возможностью отвода жидкости из
Такая компоновка двух насосов так же не позволяет осуществлять работу верхнего насоса при возможном обрыве канатной штанги, соединяющей компоновку нижнего насоса. А также конструктив клапанных пар не позволяет вести эксплуатацию ГНО в боковом стволе.
Техническим результатом заявленного устройства является расширение арсенала технических средств для увеличения дебита скважин с малым притоком малодебитного фонда за счет двухступенчатого штангового глубинного насоса с непрерывной стеклопластиковой штангой.
Заявленный технический результат достигается за счет двухступенчатого штангового глубинного насоса с непрерывной стеклопластиковой штангой, состоящего из 2 последовательно соединенных насосов с цилиндрами, плунжерами, с нагнетательными клапанами и всасывающими клапанами, при этом, непрерывной стеклопластиковой штангой, с возможностью передачи возвратно-поступательного движения, соединены плунжеры верхнего и нижнего насосов; верхний насос, снабжен всасывающим радиальным коническим клапаном; нижний насос, снабжен клапанами золотникового типа, нагнетательным клапаном, размещенным на входе в полость плунжера, и всасывающим клапаном с магнитным затвором (возвращателем). Соединение двух насосов, с двумя цилиндрами, двумя плунжерами, с нагнетательными клапанами и всасывающими клапанами двухступенчатого штангового глубинного насоса непрерывной стеклопластиковой штангой, с возможностью передачи возвратно-поступательного движения и снабжение нижнего насоса двумя клапанами золотникового типа, всасывающим и нагнетательным, а верхнего насоса всасывающим радиальным коническим клапаном, приводит к увеличению дебита скважины, поскольку, в совокупности с непрерывной штангой, клапана золотникового типа позволяют промывать нижний насос без извлечения из скважины и полного демонтажа, с увеличением времени наработки и увеличения дебита скважин с малым притоком малодебитного фонда скважины. Из-за особенности конструктива клапанных пар и компоновке для совместной эксплуатации с непрерывной стеклопластиковой штангой данная компоновка позволяет вести эксплуатацию насоса, как в вертикальном, так и боковом стволе скважины. В случае снижения производительности, и заклинивания компоновки двухступенчатого насоса - конструктив верхней части позволяет провести обратную промывку без демонтажа привода ШГН и подъема компоновки штанг. Так же следует отметить, что существенным достоинством предлагаемой компоновки является возможность работы верхнего насоса при возможном обрыве непрерывной стеклопластиковой штанги, соединяющей компоновку нижнего насоса.
Компоновка двухступенчатого штангового глубинного насоса с непрерывной стеклопластиковой штангой пояснена чертежами, где на фиг. 1 - принципиальная схема размещения глубинно насосного оборудования в стволе скважины, на фиг. 2 - нижний насос двухступенчатого ШГН в разрезе, на фиг. 3 - верхний насос двухступенчатого ШГН в разрезе.
На фиг. 1, 2, 3, изображены
на фиг. 1 - устье скважины 1, прямой ствол 2 скважины, боковой ствол 3 скважины, навесная колонна труб 4 (далее - НКТ), первая ступень штангового глубинного насоса (далее - ШГН) - верхний насос 5, вторая ступень ШГН - нижний насос 6, непрерывная стеклопластиковая штанга 7, колонна штанг 8, линейный привод 9.
на фиг. 2 - кольцевой магнит 10 клапана, муфта резьбовая 11 всасывающего клапана нижнего насоса, нижний ограничитель 12 клапана, низ седла клапана 13, шток 14 седла клапана, седло 15 всасывающего клапана, всасывающий линзовидный клапан 16, цилиндр 17 нижнего насоса, приемная часть 18 золотникового нагнетательного клапана нижнего насоса, шток 19 седла золотникового нагнетательного клапана нижнего насоса, золотниковый нагнетательный клапан 20 нижнего насоса, плунжер 21 нижнего насоса, резьбовая переводная муфта 22 нижнего насоса,
на фиг. 3 - резьбовая муфта 23 верхней части непрерывной стеклопластиковой штанги, переводной полированный шток 24 верхнего насоса, переводник 25 верхнего насоса, ниппель 26 переводного цилиндра верхнего насоса, втулка 27 переводного цилиндра верхнего насоса, седло 28 радиально-конического всасывающего клапана верхнего насоса, радиально-конический всасывающий клапан 29 верхнего насоса, резьбовой фиксатор 30 радиально-конического всасывающего клапана верхнего насоса, переводная муфта 31 верхнего насоса, цилиндр 32 верхнего насоса, переводная муфта 33 переводного полированного штока верхнего насоса, шаровой нагнетательный клапан 34 верхнего насоса, плунжер 35 верхнего насоса.
Двухступенчатый штанговый глубинный насос с непрерывной стеклопластиковой штангой выполнен следующим образом. Две ступени штангового глубинного насоса размещены под устьем 1 в прямом стволе 2 скважины, или в боковом стволе 3 скважины на навесной колонне труб 4 (далее - НКТ). Двухступенчатый штанговый глубинный насос скомпонован из двух ступеней, соединенных между собой непрерывной стеклопластиковой штангой и с устьем скважины колонной штанг. Первая ступень штангового глубинного насоса (далее - ШГН) - выполнена в виде верхнего насоса 5, она присоединена колонной штанг 8 к линейному приводу 9. К верхнему насосу 5 присоединена непрерывной стеклопластиковой штангой 7 вторая ступень насоса, выполненная в виде нижнего насоса 6. (фиг. 1). Нижний насос 6 включает в себя всасывающий линзовидный клапан 16, который представлен следующим образом: кольцевым магнитом 10 клапана, муфтой резьбовой 11 всасывающего клапана, нижним ограничителем 12, низом 13 седла клапана, штоком 14 седла клапана, а седлом клапана 15. Кроме всасывающего линзовидного клапана 16, нижний насос снабжен цилиндром 17, приемной частью 18 золотникового нагнетательного клапана, штоком 19 седла золотникового нагнетательного клапана, золотниковый нагнетательный клапан 20, плунжер 21, резьбовая переводная муфта 22. Верхняя часть всасывающего клапана 16 имеет обратную линзовидность, для увеличения площади давления и, соответственно, усилия закрытия клапана. Низ седла клапана 13 штока 14 и нижний ограничитель 12 клапана выполнены с неодимовым коррозионностойким покрытием, имеют взаимное расположение с одинаковыми полюсами, для отталкивания друг от друга, что позволяет через шток 14 передать вниз усилие для посадки в седло 15 клапана, что обеспечивает работу магнитного затвора (возвращателя). Сила отталкивания всасывающего клапана 16, зависит от толщины неодимового слоя низа седла клапана 13 и нижнего ограничителя 12. В цилиндре 17 нижнего насоса 6 расположен полый плунжер 21 с золотниковым нагнетательным клапаном 20. Плунжер 21 нижнего насоса соединен резьбовой переводной муфтой 22, с непрерывной стеклопластиковой штангой 7. Другой конец непрерывной стеклопластиковой штанги 7 соединен переводной резьбовой муфтой 23 с переводным полированным штоком 24 верхнего насоса. Переводник 25 соединен резьбовым соединением с ниппелем 26 переводного цилиндра, полированный шток 24 ходит внутри втулки 27 переводного цилиндра верхнего насоса. Также верхний насос включает в себя: радиально-конический всасывающий клапан 29, форма которого имеет неравносторонние углы, это связано со снижением риска не посадки клапана в седло 28. Для обеспечения ограничения хода радиально-конического всасывающего клапана в компоновке предусмотрен резьбовой фиксатор 30. Весь раннее перечисленный конструктив переводного цилиндра (26, 27, 28, 29, 30) через переводную муфту 31 соединен резьбовым соединением с цилиндром 32 верхнего насоса. Переводная муфта 33 переводного полированного штока верхнего насоса обеспечивает соединение через переводной полированный шток 24 и резьбовую переводную муфту 23 шарового нагнетательного клапана 34 верхнего насоса и стеклопластиковой штанги 7. Сам нагнетательный клапан 34 в свою очередь закреплен на плунжере 35 также резьбовым соединением, а сам плунжер 35 скреплен с колонной штанг 8. А цилиндр 32 с колонной НКТ 4. Двухступенчатый штанговый глубинный насос с непрерывной стеклопластиковой штангой работает следующим образом. Скважину оснащают двухступенчатым штанговым глубинным насосом с непрерывной стеклопластиковой штангой 7, что позволяет устанавливать ступени насоса 5 и 6, как в скважины с прямым стволом 2, так и в скважины с боковыми стволами 3. Основной принцип работы двухступенчатой компоновки ШГН заключается в следующем. Нижний насос 6 (фиг. 2) предназначен для подачи скважинной жидкости на прием верхнего насоса 5. При ходе плунжера 21 вверх скважинная жидкость, поступает в полость цилиндра 17, проходя через, улавливающий металлические частицы, кольцевой магнит 10, линзовидного всасывающего клапана 16, с магнитным затвором (возвращателем) (12, 13) Неодимовое коррозионностойкое покрытие низа 13 седла 15 линзовидного всасывающего клапана 16, и верхней части нижнего ограничителя 12, имеют взаимное расположение с одинаковыми полюсами, и отталкиваются друг от друга, что позволяет через шток 14 передать вниз усилие для закрытия клапана 16 путем посадки в седло 15. Сила отталкивания магнитного затвора 12, 13 (возвращателя) зависит от толщины неодимового слоя низа 12 штока 14 и верхней части нижнего ограничителя 13, линзовидного всасывающего клапана 16. В случае спуска двухступенчатой компоновки ШГН в скважину с высоким значением вязкости добываемой продукции, подбирают толщину магнитного слоя таким образом, чтобы расчетное усилие закрытия клапана 16 позволяло в полной мере использовать степень наполняемости цилиндра 17. Верхняя часть всасывающего клапана 16 имеет обратную линзовидность, для увеличения площади давления и, соответственно, усилия закрытия клапана. После наполнения цилиндра 17, при ходе плунжера 21 вниз, скважинная жидкость через золотниковый клапан 18, 19, 20 поступает в полость плунжера 21, и далее - на прием верхнего насоса 5. Использование золотникового нагнетательного клапана 18, 19, 20, а также предложенной конструкции линзовидного всасывающего клапана 16 с магнитным затвором (возвращателем) - позволят успешно эксплуатировать нижнюю компоновку двухступенчатого насоса как в вертикальных скважин, так и в скважинах с боковым стволом, а также проводить обратную промывку насоса, в случае засорения, чем и отличается предложенная конструкция от насоса СПР. Плунжер 21 в движение приводит непрерывная стеклопластиковая штанга 7, нижний конец которой соединен со штоком плунжера 21 резьбовой переводной муфтой 22, а верхняя часть стеклопластиковой штанги 7 соединена с полированным штоком 24 переводного цилиндра верхнего насоса 5. Принцип работы верхнего насоса 5 (фиг. 3), заключается в следующем. Скважинная жидкость, через отверстия удерживающего упорного резьбового фиксатора 30 ниппеля 26, поступает на прием всасывающего радиального конического клапана 29, располагающегося между седлом клапана 28 и упорным резьбовым фиксатором 30. После этого скважинная жидкость подается на прием нагнетательного шарового клапана 34, и по НКТ 4 подается на устье скважины 1. Основная колонна штанг 8 приводит в движение плунжер 35 вверх, далее усилие передается через переводную муфту 33 (на схеме соединена) на переводной полированный шток 24, нижняя часть которого закреплена резьбовой муфтой 23 с верхней частью непрерывной стеклопластиковой штанги 7, передающей усилие на вверх нижнему насосу 6. Длина нижнего насоса 6-6 метров, длина верхнего насоса 5 в сборе с переводным цилиндром (26, 27, 28, 29, 30) - 10 м. В случае снижения производительности, и заклинивания компоновки двухступенчатого насоса - конструктив верхней части позволяет провести обратную промывку без демонтажа привода ШГН и подъема компоновки штанг. Так же следует отметить, что существенным достоинством предлагаемой компоновки является возможность работы верхнего насоса при возможном обрыве непрерывной стеклопластиковой штанги, соединяющей компоновку нижнего насоса. Из-за особенности конструктива клапанных пар и компоновке для совместной эксплуатации с непрерывной стеклопластиковой штангой данная компоновка позволяет вести эксплуатацию как в вертикальном, так и в боковом стволе. Соединение двух насосов, с двумя цилиндрами, двумя плунжерами, с нагнетательными клапанами и всасывающими клапанами двухступенчатого штангового глубинного насоса непрерывной стеклопластиковой штангой, с возможностью передачи возвратно-поступательного движения и снабжение нижнего насоса двумя клапанами золотникового типа, всасывающим и нагнетательным, а верхнего насоса всасывающим радиальным коническим клапаном, приводит к увеличению дебита скважины, поскольку, в совокупности с непрерывной штангой, клапана золотникового типа позволяют промывать нижний насос без извлечения из скважины и полного демонтажа, тем самым увеличивая время наработки скважины. В случае снижения производительности, и заклинивания компоновки двухступенчатого насоса - конструктив верхней части позволяет провести обратную промывку без демонтажа привода ШГН и подъема компоновки штанг. Так же следует отметить, что существенным достоинством предлагаемой компоновки является возможность работы верхнего насоса при возможном обрыве непрерывной стеклопластиковой штанги, соединяющей компоновку нижнего насоса.