Скважинный штанговый насос представляет собой одноплунжерный насос с длинным цилиндром, шариковыми клапанами и длинным проходным плунжером (рис. 2.82). При ходе плунжера вверх он нагнетает жидкость, находящуюся между стенками цилиндра и штангами, а в полость под плунжером поступает жидкость из скважины. При ходе вниз насос нагнетает (выжимает) объем жидкости, равный объему опускающегося в цилиндр штока, т.е. это насос дифференциального действия.По конструкции насосы бывают с щелевым уплотнением зазора между металлическим плунжером и цилиндром и с упругим уплотнением этого зазора — с неметаллической рабочей поверхностью плунжера или со специальными поршневыми кольцами. Скважинные штанговые насосы делятся на трубные и вставные. У первых цилиндр в скважину спускается на тру бах, а плунжер и клапаны — на штангах. Вставные насосы спускаются в скважину в собранном виде на штангах и фиксируются в нижней части колонны НКТ замком (анкером).
Рис. 2.82. Конструктивные схемы невставных (трубных) насосов:
1 — шток клапана; 2— муфты; 3 — втулки; 4 — кожух; 5 — плунжер; 6 — нагнетательный клапан; 7— захват клапана; 8— крестовина; 9 — всасывающий клапан
В отличие от остальных насосов к основным параметрам скважинных штанговых насосов относятся номинальный диаметр плунжера (или цилиндра) и длина хода плунжера. Схемы насосов и их основные параметры установлены с 2002 года государственным стандартом Российской Федерации (ГОСТ-Р 51896-2002), а до этого времени — отраслевым стандартом (ОСТ) и техническими условиями (ТУ). Конструктивные схемы скважинных штанговых насосов, предусмотренных ГОСТ-Р, и их технические характеристики будут представлены ниже [31].
Условные диаметры скважинных насосов (плунжеров и цилиндров) 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 в зависимости от требуемого напора насоса (глубины расположения динамического уровня, с которого насос должен обеспечить 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 применяемые на промыслах, имеют составной (втулочный) или безвтулочный (цельнометаллический) цилиндр.
Втулочный насос (например — НВ1С) имеет цилиндр, набранный из втулок 3 длиной по 304 мм, размещенных в кожухе 4 и зажатых концевыми муфтами 2. К нижней муфте подсоединен узел всасывающего клапана 9. В цилиндре движется плунжер 5, имеющий узел нагнетательного клапана 6 (см. рис. 2.82). Насос с безвтулочным цилиндром (НВ1Б, НВ2Б, НН2Б и др.) имеет цельный цилиндр с концевыми резьбами. К резьбе подсоединены переводники. К нижнему переводнику подсоединен узел всасывающего клапана,, к верхнему — ограничитель хода плунжера. В цилиндре находится плунжер с нагнетательным клапаном. Цельнометаллический цилиндр представляет собой цилиндрическое тело, внутренняя поверхность которого является рабочей. 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 снизить трудоемкость сборки насоса и изготовления цилиндра. Устраняется возможность сдвига втулок цилиндра при транспортировке, 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 некоторых типов скважинных штанговых насосов широкого применения. Трубные (невставные) скважинные насосы (НН) выполняют нескольких типов — НН1, НН2, ННА. Насос НН1 (см. рис. 2.82, а) состоит из штока с утолщением в верхнем конце, служащего для съема всасывающего клапана с его посадочного конуса и подъема клапана на поверхность вместе с плунжером. Цилиндр насоса остается подвешенным на трубах. Узел нагнетательного клапана находится в верхней части плунжера. На данном рисунке показано нижнее положение плунжера при рабочем ходе. Подъем на поверхность всасывающего клапана удобен и прост. Но наличие штока в конструкции и размещение нагнетательного клапана в верхнем торце плунжера создают большое мертвое пространство Vm в цилиндре насоса, что является причиной плохой работы насоса даже при небольшом газосодержании в жидкости. Для устранения этого недостатка необходимо уменьшить мертвое пространство в насосе. Для этого нагнетательный клапан переносят в нижнюю часть плунжера и применяют специальный байонетный захват 7 и крестовину 5 для съема всасывающего клапана (см. рис. 2.82, б). Насос такой конструкции имеет шифр НН2. Его преимущество — небольшое мертвое пространство Vm 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 отложения на деталях насоса асфальто-парафиновых и смолистых веществ.
Вставной насос (НВ) имеет следующую конструкцию (рис. 2.83). Насос 5 опускают внутрь колонны НКТ 1, в которой установлено 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 меньший 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 насосы обычно предназначены для спуска на большую глубину, чем трубные.
Рис. 2.83. Схема вставного насоса
1 — НКТ; 2 — обратный клапан; 3 — седло; 4 — пружина; 5 — насос; 6 — направление
Трубные насосы типа ННА с автоматическим сцеплением штанг со штоком плунжера насоса спускаются в сборе на колонне НКТ. Штанги спускаются после спуска насоса на заданную глубину и автоматически соединяются со штоком плунжера. Конструкцией насоса предусмотрено автоматическое рассоединение 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 является 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 выбирается в зависимости от вязкости откачиваемой жидкости, содержания в ней песка, размера его частиц и т.д.
Плунжеры насосов изготавливают из стали и покрывают износоустойчивым слоем хрома толщиной до 70 мкм. Плунжер может иметь концентричные или винтовые канавки, насечку. Канавки и насечка предохраняют плунжер от заклинивания песком. Для скважин с большим выносом песка применяют плунжер «пескобрей». Он имеет скошенную внутрь плунжера верхнюю кромку и углубленную в плунжер клетку, соединяющую его со штангами. Таким образом, плунжер как бы сбривает механические примеси со стенок цилиндра. Примеси поступают к клетке клапана, где их подхватывает поток откачиваемой жидкости, выносящий механические примеси из зоны контакта плунжер-цилиндр. Другие виды плунжеров для скважинных штанговых 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 подвергают 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, у стали 45 — до HRC 50 и у стали марки 38Х2МЮА до HRA 80 и более.
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 марки 40Х. К внутренней поверхности его предъявляются те же требования, что и к втулочному цилиндру. Клапаны насосов шариковые. Шарик притирается к седлу. Седло имеет меньшую твердость, чем шар, что увеличивает срок службы этой пары. Рабочая кромка седла углублена и защищена «ложной» фаской от ударов шаром.
Насосы с неметаллической рабочей поверхностью плунжера типа НВ1м и НН2м могут иметь гуммированный плунжер (рис. 2.84) или плунжер с манжетами.
Рис. 2.84. Схема гуммированного плунжера
Гуммированный плунжер изготовляют вулканизацией или приклеиванием резиновых частей к плунжеру. Верхнее уплотнение имеет подвод жидкости из плунжера в свою внутреннюю полость. Поскольку нагнетательный клапан расположен внизу плунжера, под действием давления жидкости распирается верхнее уплотнение. Остальные гуммированные части изготовлены так, что входят в цилиндр с натягом и тоже воспринимают определенную часть перепада давления. На плунжере обычно имеется четыре-шесть гуммированных уплотнений или манжет.
Цилиндры этих насосов делают без втулок и с втулками. Размер диаметра цилиндра не требует высокой точности, но поверхность 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 держание песка в жидкости. Цилиндр насоса имеет невысокую твердость, поэтому пара резина — сталь недостаточно износоустойчива. В трубных насосах типа НН2м при спуске и подъеме плунжера его манжеты могут быть повреждены о внутренние дефекты колонны НКТ или отложения на внутренней стенке нкт.
Для отбора из скважин высоковязкой жидкости выпускаются стандартные насосы с двумя плунжерами (типа ННД2 и НВ2Д2) по схеме, представленной на рис. 2.85. При ходе сборки плунжеров вниз давление столба жидкости в НКТ будет передаваться на верхний плунжер б и нагнетальный клапан 5. При этом под плунжером б и клапаном 5 будет давление всасывания, так как жидкость из скважины будет поступать через открытый клапан 3 в полость 4. Таким образом, при ходе плунжеров и штанг вниз создается сила, действующая сверху вниз и растягивающая шток 8 и штанги, что предупреждает зависание штанг в вязкой жидкости и их продольный изгиб. При отборе высоковязкой жидкости и обычных схемах штанговых насосов трение штанг о жидкость не позволяет штангам достаточно быстро опускаться, головка балансира опускается вниз быстрее штанг, что приводит к рассогласованию движения головки балансира станка-качалки и колонны штанг, возникновению значительных ударных нагрузок и снижению работоспособности установок.
Подача такого насоса определяется длиной хода и разностью площадей цилиндра 7 нижней насосной части (с плунжером 2) и цилиндра 7 верхней насосной части.
Рис. 2.85. Схема насоса для отбора вязких жидкостей
Насосы НВ1Д2 предназначены для отбора жидкости с большим содержанием свободного газа. Жидкость в них при движении плунжерной сборки вниз попадает через входной клапан, расположенный в нижнем плунжере, в полость между плунжерами. Это происходит из-за увеличения объема межпунжерной зоны и уменьшения в ней давления. При ходе плунжеров ииерх объем межпунжерной зоны уменьшается, что приводит к закрытию нижнего клапана, открытию нагнетательного клапана в верхнем плунжере и перемещению жидкости в полость 4 и в НКТ.