Установки струйных насосов

Установки струйных насосов обладают рядом существенных преимуществ по сравнению с другими способами эксплуатации:

- простота и компактность скважинного оборудования;

- отсутствие движущихся частей, кабеля и насосных штанг;

- высокая надежность скважинного оборудования, большой меж­ремонтный период работы;

- простота регулирования отбора продукции скважины;

- замена насоса без подземного ремонта; подача в скважину необходимых реагентов и тепловой энергии с рабочей жидкостью;

- доступ на забой без подъема скважинного оборудования;

- создание требуемых депрессий на пласт;

- проведение гидродинамических исследований в скважине и оптимизация отбора жидкости;

- добыча нефти из малодебитных скважин - менее 10 м³/сут;

- минимальные затраты на подъем жидкости при дебитах до 150 м³/сут;

- эксплуатация скважин в осложненных условиях (высокая температура, высокий газовый фактор, высокое давление насыщения нефти газом, большая вязкость откачиваемой продукции, большая глубина, соле- ипарафиноотложения, высокое содержание песка, низкая проницаемость коллектора, нестабильный приток жидкости из пласта, большая кривизна скважины вплоть до горизонтали).

В настоящее время разработкой, испытанием и промышленным внедрением насоса данного типа занимаются отечественные фирмы (ОКБ БН, "НАМ и К⁰", "СОНТЕКС" и др.).

Ниже приведены технические характеристики отечественных УСН и условия их эксплуатации.

Есть и отрицательные стороны при применении струйных насосов:

- высокая цена оборудования (в 2,2 раза дороже, чем ШСНУ, и в 1,5, чем УЭЦН, при прочих равных условиях);

- необходимость привлечения для обслуживания персонала высокой квалификации.

Принцип работы всех УСН заключается в следующем. Рабочая жидкость под высоким давлением подается в сопло и истекает с высокой скоростью (до 300 м/с). При этом создается область разрежения и добываемая жидкость через горловину всасывается в диффузор. Диаметр диффузора в несколько раз (4-6) больше диаметра сопла, и поэтому скорость жидкости быстро падает. Происходит обратный процесс перехода кинетической энергии жидкости в потенциальную энергию ее подъема на поверхность.

давление зависит от плотности и вязкости жидкостей и от присутствия газа, расчет работы насоса сложен и требует численного решения.

Разработка конструкций струйных насосов идет по пути размещения силовых агрегатов в скважине (погружные агрегаты) и на поверхности. Применение погружных агрегатов ведет к уменьшению габаритов установки, снижению ее металлоемкости, повышению КПД. Однако помещение агрегата на устье создает лучшие условия для контроля и регулирования, а также для использования давления столба жидкости в скважине в качестве части рабочего давления. Этим и объясняется тот факт, что преимущественное распространение получили установки с наземными силовыми агрегатами.

На рис. 4.10 приведены конструкции подземной части оборудования струйных насосов. Все они имеют сходное устройство, включающее кожух струйного насоса 3, сопло 4, всасывающие окна 6, специальную муфту 7, колонну насосно-компрессорных труб 2. Различаются установки схемой подачи силовой жидкости: в схеме а она подается по колонне насосно-компрессорных труб и поднимается вместе с добываемой жидкостью по затрубному пространству; в схеме б силовая жидкость подается по эксплуатационной колонне и поднимается по колонне НКТ; в схеме в спущена вторая колонна НКТ, и силовая жидкость подается по кольцевому пространству, образованному двумя колоннами труб, а поднимается по центральной колонне.

Все схемы имеют определенные достоинства и недостатки: подъем жидкости по эксплуатационной колонне может привести к ее запарафированию (при добыче высокопарафинистыхнефтей), коррозионному и эрозионному ее разрушению; подача силовой жидкости по эксплуатационной колонне может вызвать разрушения последней вследствие создания критических давлений; схемы а и б предполагают применение пакера, монтаж и демонтаж которого часто бывает затруднен; применение дополнительной колонны НКТ (схема в) резко увеличивает металлоемкость установки и не всегда приемлемо из-за небольших диаметральных габаритов скважин.

В результате анализа всех схем наиболее целесообразна для использования в условиях ОАО "Оренбургнефть" схема а. Оборудование этой схемы (рис. 4.11) включает в себя устьевую обвязку 10, линию подачи рабочего агента 9, нефтесборный коллектор 12, участок регулирования давления и расхода рабочей жидкости 8, вентили 4, 5, 6, манометры 3, 7, 11, 13, расходомер 2, источник рабочей жидкости /. Подземное оборудование состоит из колонны 14, опрессовочной шайбы 15, струйного насоса 16, клапана для глушения скважины 17, пакера18, хвостовика 19, эксплуатационной колонны 20.

В настоящее время в ОАО "Оренбургнефть" и "Оренбурггаз-пром", совместно с ЗАО "НАМ и К⁰" и ОАО "СОНТЕКС" рассматривается вопрос о проведении экспериментальных и промысловых работ по испытанию струйных насосов для условий: эксплуатации нефтяных скважин с высоким газосодержанием; при освоении низкодебитных скважин после бурения; при освоении скважин после проведения капитальных ремонтов.

Поскольку струйно-насосная установка представляет собой насосную систему механизированной добычи нефти, состоящую из устьевого наземного и погружного оборудования. Наземное оборудование включает сепаратор, силовой насос, устьевую арматуру, КИП; погружное оборудование - струйный насос с посадочным узлом (рис. 2).

Струйный насос (рис. 3) приводится в действие под влиянием напора рабочей жидкости (лучше нефти или воды), нагнетаемой в НКТ 1, соединенные с соплом 2. При прохождении узкого сечения сопла струя перед диффузором 4 приобретает большую скорость и поэтому в каналах 3 снижается давление. Эти каналы соединены через полость насоса 5 с подпакерным пространством 6 и пластом, откуда пластовая жидкость всасывается в насос и смешивается в камере смешения с рабочей. Смесь жидкостей далее движется по кольцевому пространству насоса и поднимается на поверхность по межтрубному пространству (насос спускают на двух концентрических рядах труб) под давлением нагнетаемой в НКТ рабочей жидкости. Насос может откачивать высоковязкие жидкости и эксплуатироваться в сложнейших условиях (высокие температуры пластовой жидкости, содержание значительного количества свободного газа и песка в продукции и т.д.).

По данным НИПИ Гипроморнефтегаз срок службы струйного насоса в абразивной среде не менее 8 мес., теоретический отбор жидкости до 4000 м³/сут. максимальная глубина спуска - 5000 м, масса погружного насоса 10 кг.

В 1971 г. Крецом В.Г. были обоснованы и предложены схемы струйных установок для целей испытания, освоения и эксплуатации нефтяных скважин (НИИ ВН при ТПУ). Тогда внедрены были струйные установки для откачки питьевой воды из скважин (разработанные под руководством В.С. Арбит и С.Я. Рябчикова).

Рис. 2. Струйнонасосная установка:

1 – струйный насос; 2 – ловитель; 3 – силовой насос; 4 ‑ сепаратор; 5 – продуктивный пласт

Рис. 3. Схема струйного насоса:

1 - насосно-компрессорные трубы; 2 - сопло; 3 ‑ каналы; 4 ‑ диффузор; 5 - входная часть насоса; 6 ‑ подпакерное пространство

Установка струйного насоса

Для кустовых скважин в качестве альтернативного может быть предложен способ добычи нефти струйными насосами (СН).

В течение весьма длительного периода теория струйных аппаратов развивалась главным образом как исследование и разработка методов расчета аппаратов определенного назначения, например аппаратов для смешивания. В настоящее время в России ведутся работы по созданию серии струйных насосов для добычи нефти. Имея более низкую стоимость, чем гидропоршневые, струйные насосы имеют сравнительно низкий к.п.д., который еще более уменьшается с ростом напора и подачи. При малых дебитах к.п.д. струйного насоса составляет порядка 21%, а при дебитах более 250м³/сут. снижается до 18 %. Наиболее высокий к.п.д. – 23 % при подачах порядка 100м³/сут. Кроме того, струйные насосы нужно заглублять ниже динамического уровня до достижения давления на приеме, которое обеспечит отсутствие кавитации.

Принцип работы СН заключается в следующем (рисунок 1.4). Рабочая жидкость под высоким давлением подается в сопло и истекает с высокой скоростью (до 300 м/с) (за счет малого диаметра). При этом создается область разрежения и добывае­мая жидкость через горловину всасывается в диффузор. Диаметр диффузора в несколько раз (4 ... 6) больше диаметра сопла, и поэтому скорость жидкости быстро падает. Происходит обратный процесс перехода кинетической энергии жидкости в потенциальную энергию ее подъема на поверхность.

Рисунок 1.4- Принципиальная схема струйного насоса

Струйный насос имеет рабочие характеристики, подобные характеристикам электропогружного насоса. При заданном размере сопла различным размерам горловины соответствуют различные характеристики. Обычно характеристические кривые довольно пологие, особенно при большом диаметре горловины, что говорит о высокой зависимости между подачей струйного насоса и давлением на приеме или выкиде. Поскольку дав­ление зависит от плотности и вязкости жидкостей и от присутствия газа, расчет работы насоса сложен и требует численного решения.

Размер кольцевого отверстия у входа в горловину определяет площадь поперечного сечения сопла и горловины. Чем этот размер меньше, тем выше скорость добываемой жидкости, проходящей через сечение. Известно, что давление в жидкости обратно пропорционально квадрату скорости ее движения и при больших скоростях оно достигает давления насыщенного пара. В жидкости начинают образовываться пузырьки пара [21].

Рис. 2. Струйнонасосная установка:

1 – струйный насос; 2 – ловитель; 3 – силовой насос; 4 ‑ сепаратор; 5 – продуктивный пласт

Рис. 3. Схема струйного насоса:

1 - насосно-компрессорные трубы; 2 - сопло; 3 ‑ каналы; 4 ‑ диффузор; 5 - входная часть насоса; 6 ‑ подпакерное пространство

Установка струйного насоса

Для кустовых скважин в качестве альтернативного может быть предложен способ добычи нефти струйными насосами (СН).

В течение весьма длительного периода теория струйных аппаратов развивалась главным образом как исследование и разработка методов расчета аппаратов определенного назначения, например аппаратов для смешивания. В настоящее время в России ведутся работы по созданию серии струйных насосов для добычи нефти. Имея более низкую стоимость, чем гидропоршневые, струйные насосы имеют сравнительно низкий к.п.д., который еще более уменьшается с ростом напора и подачи. При малых дебитах к.п.д. струйного насоса составляет порядка 21%, а при дебитах более 250м³/сут. снижается до 18 %. Наиболее высокий к.п.д. – 23 % при подачах порядка 100м³/сут. Кроме того, струйные насосы нужно заглублять ниже динамического уровня до достижения давления на приеме, которое обеспечит отсутствие кавитации.

Принцип работы СН заключается в следующем (рисунок 1.4). Рабочая жидкость под высоким давлением подается в сопло и истекает с высокой скоростью (до 300 м/с) (за счет малого диаметра). При этом создается область разрежения и добывае­мая жидкость через горловину всасывается в диффузор. Диаметр диффузора в несколько раз (4 ... 6) больше диаметра сопла, и поэтому скорость жидкости быстро падает. Происходит обратный процесс перехода кинетической энергии жидкости в потенциальную энергию ее подъема на поверхность.

Рисунок 1.4- Принципиальная схема струйного насоса

Струйный насос имеет рабочие характеристики, подобные характеристикам электропогружного насоса. При заданном размере сопла различным размерам горловины соответствуют различные характеристики. Обычно характеристические кривые довольно пологие, особенно при большом диаметре горловины, что говорит о высокой зависимости между подачей струйного насоса и давлением на приеме или выкиде. Поскольку дав­ление зависит от плотности и вязкости жидкостей и от присутствия газа, расчет работы насоса сложен и требует численного решения.

Размер кольцевого отверстия у входа в горловину определяет площадь поперечного сечения сопла и горловины. Чем этот размер меньше, тем выше скорость добываемой жидкости, проходящей через сечение. Известно, что давление в жидкости обратно пропорционально квадрату скорости ее движения и при больших скоростях оно достигает давления насыщенного пара. В жидкости начинают образовываться пузырьки пара [21].