Глубинные насосы

Глубинные штанговые насосы по конструкции и способу установки в скважине разделяются на две основные группы: невставные (труб­ные) и вставные насосы. В каждой из этих групп имеются насосы различных типов, отличающиеся конструктивными особенностями, габаритами, устройством плунжера.

Невставные (трубные) насосы характерны тем, что их основные узлы — цилиндр и плунжер — спускаются в скважину раздельно. Рабочий цилиндр насоса спускается в скважину на насосно-компрес­сорных трубах и является прямым продолжением колонны труб, а плунжер насоса в сборе с всасывающим и нагнетательным кла­панами спускается в трубы на штангах.

Подъем невставного насоса из скважины также осуществляется в два приема: сначала извлекаются штанги с плунжером и клапанами, а затем трубы с цилиндром.

Вставной же насос спускают в скважину в собранном виде (ци­линдр насоса вместе с плунжером) на насосных штангах и извлекают его на поверхность также в собранном виде путем подъема насосных штанг. Спущенный в собранном виде вставной насос устанавливают и закрепляют при помощи специального замкового приспособления, заранее спускаемого в скважину на трубах. В результате этого для смены вставного насоса при его сработанности и необходимости замены отдельных узлов или насоса в целом достаточно поднять на поверхность только насосные штанги, насосные же трубы остаются постоянно в скважине; их извлекают лишь при необходимости исправ­ления замкового приспособления, что на практике бывает редко. Таким образом, смена вставного насоса требует значительно меньше времени, чем невставного (трубного), и при нем меньше изнашиваются насосные трубы, так как нет необходимости их спускать и подни­мать, а также отвинчивать и завинчивать при каждой смене насоса.

Эти преимущества вставного насоса имеют особое значение при

эксплуатации глубоких скважин, в которых спуско-подъемные операции при подземном ремонте занимают много времени:

Невставные (трубные) насосы подразделяются на два типа: 1) насосы двухклапанные НГН1 (насос глубинный невставной пер­вого типа) и 2) насосы трехклапанные НГН2.

Насос НГН1 (рис. 98, а) имеет три основных узла:

цилиндр, который состоит из соб­ственно цилиндра 2, патрубка-удлини­теля 4 и седла конуса 6;

плунжер, состоящий из собственно плунжера 3 и шарикового нагнетатель­ного клапана 1;

всасывающий клапан 5 с захватным штоком 7, головка которого находится в полости плунжера.

Из схемы видно, что при нормаль­ной работе насоса плунжер переме­щается в цилиндре, не имея связи с зах­ватным штоком, а узел всасывающего клапана остается неподвижным. Когда же плунжер извлекается из цилиндра, он зацепляется за головку захватного штока и поднимает за собой узел вса­сывающего клапана, открывая нижний конец цилиндра насоса. В результате этого жидкость, заполняющая подъем­ные трубы, может перетекать через насос в скважину, и при подъеме на-сосно-компрессорных труб и насоса не происходит разлива нефти на устье скважины, а в случае осаждения песка над насосом его можно периодически промывать.

Рис. 98. Схема невставного (трубного) насоса. о — двухклапанного НГН1; б — трехклапанного НГН2.

Если же возникает необходимость в проверке или замене узла всасыва­ющего клапана, то благодаря наличию захватного штока достаточно поднять на поверхность только плунжер, не трогая самого насоса.

Существенным недостатком двухклапанного насоса является слишком большой объем вредного пространства, который склады­вается из объема внутренней полости плунжера- и объема патрубка-удлинителя. Этот объем можно уменьшить путем установки допол­нительного нагнетательного клапана на нижнем конце плунжера, что и осуществлено в трехклапанных трубных насосах.

Трехклапанный насос (рис. 98, б) так же, как и двухклапанный, состоит из трех основных узлов: цилиндра, плунжера и всасыва­ющего клапана. Узел цилиндра в обоих насосах имеет одинаковое

устройство, другие же узлы в связи с наличием второго нагнетатель­ного клапана несколько различаются. Второй нагнетательный клапан 5, находящийся в нижней части плунжера 3, не позволяет применять захватный шток, поэтому под плунжером монтируется специальный ловитель 9, который представляет собой муфту с крючкообразным захватом.

Узел всасывающего клапана вместо захват­ного штока имеет наконечник 10 с поперечной шпилькой на верхнем конце.

Чтобы поднять всасывающий клапан, спускают плунжер ниже нормального положения до упора в наконечник 10 и затем поворачивают в сторону завинчивания штанг. При этом шпилька наконеч­ника входит в прорези на ловителе и захваты­вается им.

Установка всасывающего клапана на свое место также выполняется при помощи ловителя.

Благодаря применению вто­рого нагнетательного клапана объем вредного пространства в трехклапанном насосе умень­шен почти в два раза по срав­нению с двухклапанным насо­сом. Поэтому трехклапанные насосы рекомендуются для от­качивания жидкости с повы­шенным содержанием свобод­ного газа.

Рис. 99. Схема вставного насоса НГВ1.

Рис. 100. Узел замковой опоры насоса НГВ1.

Вставные насосы условно обозначают шифром НГВ (на­сос глубинный вставной), при­чем насосы с опорой, располо­женной в его верхней части, имеют шифр НГВ1, а насосы с нижней опорой НГВ2.

На предприятиях НГДУ применяются преимущественно насосы типа НГВ1. Вставной насос (рис. 99) состоит из трех основных узлов: ци­линдра, плунжера и замковой опоры цилиндра.

Цилиндр насоса 5 на нижнем конце имеет закрепленный наглухо всасывающий клапан, а на верхнем конце — конус 3, который служит опорой насоса и разобщает полость подъемных труб над насосом от скважины. Поверх опорного конуса на цилиндре мон­тируется направляющий ниппель штока плунжера.

Плунжер 6 подвешивается к колонне штанг при помощи штока 1, конец которого выступает из насоса и имеет соответствующую резьбу для соединения со штангами. С целью уменьшения объема

вредного пространства нагнетательный клапан установлен на ниж­нем конце плунжера.

Под замковой опорой 4, которая закреплена на нижнем конце колонны подъемных труб 2, монтируется направляющая труба 7, обеспечивающая правильную установку насоса на место. Узел зам­ковой опоры (рис. 100) состоит из переводника 1, присоединяемого к насосно-компрессорным трубам, седла конуса 2, пружинного замка 3 и опорной муфты 4.

Седло конуса изготовлено из специальной нержавеющей стали и термически обработано для увеличения твердости и износостойкости. Герметичность посадки конуса в седло обеспечивается тщательной обработкой соприкасающихся поверхностей и применением для изготовления конуса металла с меньшей твердостью, чем для седла.

Пружинный замок опоры представляет собой полый усеченный конус с шестью продольными разрезами, которые образуют на ко­нусе лепестковые пластинчатые пружины. При спуске в скважину насос раздвигает своим нижним концом пружину замка и проходит через нее вниз до тех пор, пока конус насоса не сядет на седло. В этот момент концы пружин замка оказываются напротив кони­ческого буртика на корпусе цилиндра и упираются в него, задер­живая насос в замковой опоре.

Пружины замка раздвигаются при усилии около 2000 Н (200 кгс), поэтому для установки насоса на место достаточно приложить к нему часть веса штанг.

Для подъема насоса также не требуется создавать большого усилия, так как концы пружин находятся на конусной поверхности буртика и при небольшом натяжении легко раздвигаются им.

При нормальной работа вставного насоса плунжер перемещается по цилиндру, не изменяя его положения в трубах; насос работает как обычный трубный насос.

Большая часть деталей и узлов глубинных насосов однотипны или одинаковы и взаимозаменяемы. В частности, почти у всех насо­сов одинаковое устройство имеют рабочие цилиндры, плунжеры, узлы клапанов.

Рабочий цилиндр. Рабочий цилиндр глубинных насосов соби­рается из отдельных чугунных или стальных втулок длиной по 300 мм. Втулки, изготовленные из модифицированного серого чу­гуна, применяются для трубных насосов с диаметром цилиндра более 32 мм, а втулки из легированной стали — для всех вставных насосов и для трубных насосов малого диаметра (28 и 32 мм).

С целью повышения износостойкости и твердости рабочей поверх­ности втулки подвергают специальной термической обработке. Внутреннюю поверхность втулок шлифуют, а торцы обрабатывают так, чтобы они были строго перпендикулярны оси втулки и плотно прилегали друг к другу,

При сборке цилиндра втулки надевают на специальный калибро­ванный стержень-скалку, который обеспечивает их соосность, и в таком виде вставляют в трубчатый кожух, где плотно зажимают

с торцов муфтами или ниппелями-переводниками, навинчивающимися на резьбу кожуха. В результате такой сборки втулки образуют сплошной гладкий цилиндр с точно выдержанным по всей длине внутренним диаметром и с тщательно отшлифованной внутренней поверхностью.

В зависимости от назначения и типа насоса в цилиндр устанав­ливают от 2 до 27 втулок.

Плунжеры. Плунжеры глубинных насосов изготовляются из цельнотянутых стальных труб. Длина плунжера любого размера равна 1200 мм, а толщина стенки в зависимости от диаметра плун­жера составляет 5—9,5 мм. На обоих концах плунжера делается внутренняя резьба для присоединения узлов: клапанов, переводни­ков и т. п. Наружная поверхность плунжера тщательно шлифуется, покрывается слоем хрома для повышения износостойкости и анти­коррозионной устойчивости, затем полируется.

В зависимости от условий эксплуатации глубинные насосы ком­плектуются плунжерами различного исполнения: с гладкой поверх­ностью, с кольцевыми и винтовыми канавками на внешней поверх­ности, плунжерами типа «пескобрей» и плунжерами с резиновыми уплотняющими кольцами.

Плунжеры с гладкой внешней поверхностью (рис. 101, я) уста­навливаются только в тех насосах, которые предназначены для откачки жидкости, не содержащей механических примесей. Если же в откачиваемой жидкости имеется песок, то при эксплуатации глу­бинных насосов возникают серьезные осложнения. Частицы песка, проникая в зазоры между плунжером и цилиндром, повреждают их рабочие поверхности и преждевременно выводят насос из строя.

При большом скоплении песка в зазорах часто происходит за­клинивание плунжера в цилиндре, поэтому приходится поднимать насос вместе с плунжером при закрытом всасывающем клапане, и около устья разливается жидкость, заполняющая трубы.

В значительной мере эти осложнения в работе глубинных насосов устраняют, применяя плунжеры с канавками на внешней поверх­ности (рис. 101 б, в). Эти канавки играют роль ловушек для песчи­нок, попавших в зазоры между плунжером и цилиндром, поэтому вероятность заклинивания плунжера значительно сокращается, а рабочие поверхности деталей насоса повреждаются песком меньше, чем в насосах с гладкими плунжерами. Применение канавок улуч­шает также условия смазки трущихся поверхностей плунжера и цилиндра.

В скважинах с большим содержанием песка в откачиваемой жидкости рекомендуется применять насосы с плунжером типа «песко­брей» (рис. 101, г) имеющим следующие конструктивные особенности. На верхнем конце плунжера сделана внутренняя цилиндрическая расточка глубиной 25—30 мм с конической фаской, скошенной внутрь, в результате чего толщина стенки уменьшена до 2 мм. Вместо верх­него нагнетательного клапана в плунжер ввинчивается специальная клетка.

При работе насоса утонченная стенка плунжера несколько раз­дается от давления столба жидкости и плотно прижимается к стенкам цилиндра. Осевший на стенках цилиндра песок при ходе плунжера вверх срезается его заостренной кромкой и, попадая внутрь плун­жера, выносится струей жидкости.

Рис. 101. Конструкции плунжеров.

а — гладкий (исполнение Г); 6 — с кольцевыми канавка­ми (исполнение К); в — с винтовой канавкой (испол­нение В); г — плунжер «пескобрей» (исполнение П); д — манжетный гуммиро­ванный плунжер. 1 — корпус плунжера; г — самоуплотняющееся резино­вое кольцо; з — набуха­ющие резиновые кольца.

На поверхности плунжера «пескобрей» имеются кольцевые ка­навки, расположенные на равном расстоянии друг от друга.

Плунжер с резиновыми уплотнениями (рис. 101, д) устанавли­вается в насосах, которые предназначены для откачки жидкости, не содержащей песка. На практике такие насосы применяются в основ­ном для эксплуатации обводнившихся скважин, где насосы с метал­лическими плунжерами работают в условиях недостаточной смазки трущихся поверхностей плунжера и цилиндра и быстро изнаши­ваются.

удлинителя. Для лучшей герметичности конусные поверхности наконечника-конуса и седла конуса тщательно притираются друг к другу.

В клапанах вставных насосов (рис. 102, в, г) вместо клапанной клетки ставятся две детали: цилиндрический корпус клапана и внутри него стакан, который выполняет роль клапанной клетки.

Узлы нагнетательных клапанов насосов всех типов имеют много общего с узлами всасывающих клапанов и отличаются только раз­мерами деталей и небольшими изменениями в их исполнении.

Рис. 102. Узлы всасывающих клапанов.

о — клапан насоса'НГШ; б — клапан насоса НГН2; в— клапан насоса НГВ1 диаметром 43, 56, 70 мм; г — клапан насоса НГВ1 диаметром

28 и 32 мм.

Насосы НГН1 изготовляют с диаметром плунжера 28, 32, 43, 55 и 68 мм, длиной хода 600—900 мм. Для насосов НГН2 добавляются размеры 38, 82 и 93 мм. Длина хода плунжера в насосах НГН2 — от 600 до 6000 мм. Вставные насосы НГВ1 делают размерами от 28 до 68 мм с длиной хода от 900 до 6000 мм.

Техническая характеристика глубинных насосов дана в прило­жении. Все глубинные штанговые насосы имеют условные обозна­чения, которые представляют собой краткую техническую характе­ристику данного насоса. Например, трубный трехклапанный насос с, диаметром цилиндра 43 мм, ходом плунжера 3000 мм, I группы посадки, с гладкой поверхностью плунжера и опрессованный на давление 15 МПа, обозначается НГН2-43-3000-1-Г-150. Это обозна­чение наносится масляной краской на кожухе насоса.