Конструкции скважинных струйных насосов

Струйные насосы являются разновидностью гидроприводных насосов, и они обладают всеми достоинствами этого вида обо­рудования. Благодаря своим конструктивным особенностям струйные аппараты отличаются высокой надежностью и эффек­тивностью, особенно в осложненных условиях эксплуатации, например при добыче пластовой жидкости со значительным со­держанием механических примесей, коррозионно-активных ве­ществ и из наклонно направленных скважин.

К преимуществам струйных насосов относят их малые габа­риты, большую пропускную способность и возможность стабиль­но отбирать пластовую жидкость с высоким содержанием сво­бодного газа. Кроме того, проста конструкция установок, отсут­ствуют движущиеся детали, возможно исполнение струйного насоса в виде свободного, сбрасываемого агрегата.

Рис. 6.10. Схема струйного насоса (а) и движение жидкостей в нем (б):

1 — подвод откачиваемой жидкости; 2 — подвод рабочей жидко­сти; 3— входное кольцевое сопло; 4— рабочее сопло; 5 — камера смешения; 6— диффузор; I — невозмущенная откачиваемая жид­кость; II — пограничный слой; III — невозмущенная рабочая жид­кость (ядро)

 

В струйном насосе или инжекторе (рис. 6.10) поток откачи­ваемой жидкости перемещается от забоя скважины до устья скважины за счет получения энергии от потока рабочей жид­кости, подаваемого поверхностным силовым насосом с устья скважины.

Нагнетание скважинной жидкости осуществляется благодаря явлению эжекции в рабочей камере, т.е. смешению скважинной жидкости с рабочим потоком жидкости, обладающим большой энергией, см. рис. 6.10.

Режим работы струйного насоса характеризуется следующи­ми параметрами: рабочий напор H_р, затрачиваемый в насосе и равный разности напоров рабочего потока на входе в насос (сечение В—В) и на выходе из него (сечение С—С), полезный напор Н_P, создаваемый насосом и равный разности напоров подаваемой жидкости за насосом (сечение С—С) и перед ним (сечение А—А); расход рабочей жидкости Q₁; полезная подача Q_o. КПД струйного насоса равен отношению полезной мощности к затраченной

и может достигать величины КПД = 0,2...0,35. Такое значение КПД струйных насосов обусловлено большими потерями энер­гии, сопровождающими рабочий процесс: в камере смешения (на вихреобразование и гидравлическое трение жидкости о стенки камеры); в элементах насоса, подводящих и отводящих жидкость (в рабочем и кольцевом сопле и диффузоре).

Струйный насос работает следующим образом. При истечении рабочей жидкости со скоростью V₁, из сопла в затопленное про­странство сразу за передним срезом сопла на поверхности струи возникает область смешения. Быстрые частицы проникают в ок­ружающий медленный поток невозмущенной жидкости, подса­сываемый через кольцевой проход в камеру со скоростью V_o и передают ей энергию. Этот процесс, основанный на интенсив­ном вихреобразовании, происходит в непрерывно утолщающем­ся по длине струйном пограничном слое. Вместе с тем внутрен­няя область рабочей струи, а именно ее ядро и внешняя область невозмущенной подсасываемой жидкости — постоянно умень­шаются и на расстоянии L от рабочего сопла потоки рабочей и откачиваемой жидкости уже полностью перемешаны. На даль­нейшем участке камеры смешения происходит только выравни­вание профиля скоростей потока жидкости. Чаще всего в струй­ных насосах применяют цилиндрические камеры смешения, тех­нологические простые в изготовлении и обеспечивающие отно­сительно высокий КПД.

Для преобразования достаточно высокой скорости потока в камере смешения в давление поток направляется в диффузор.

Схема струйного насоса представлена на рис. 6.11. Струйный аппарат является сменным узлом. В нем устанавливаются насад­ка и камера смешения, изготовленные из износоустойчивых материалов. Насадки и камеры смешения выполняются с раз­ными диаметрами проходного канала и подбираются в зависи­мости от параметров скважины, давления рабочей жидкости, необходимой подачи и т.п. Насос совме­стно с пакером спускают в скважину на колонне НКТ. Струйный аппарат может извлекаться из скважины и устанавли­ваться путем изменения направления потока рабочей жидкости.

Рис. 6.11. Конструкция скважинного струйного насоса (з-д Нефтемаш):

1 — корпус насоса; 2 — струйный аппарат; 3 — насадок; 4 — камера смешения; 5 — сдвоенный обратный клапан.

 

Технические характеристики

Производительность, м³/сут............30—1200

Давление рабочей жидкости,

От ППД/ГПНУ, МПа............... ……..10-21,0/40,0

Напор насоса, м...................................250—1500

Коэффициент полезного действия, %.......36

Габаритные размеры, мм:

длина/диаметр..............1600 (1200)/132(107)

Масса насоса, кг............................48,8 (28,8)

Эффективность передачи энергии по­током рабочей жидкости зависит от кон­струкции основных элементов насоса, оп­ределяемой соотношением площадей по­перечных сечений рабочего и кольцево­го сопла и камеры смешения.

Если площадь поперечного сечения рабочего сопла составляет 50—60% пло­щади камеры смешения, то насос можно назвать высоконапорным. В этом случае площадь поперечного сечения кольцево­го сопла сравнительно мала, что умень­шает расход откачиваемой жидкости по сравнению с расходом рабочей жидкости. При этом гидравлическая энергия передается сравнительно малому объему откачивае­мой жидкости и развивается высокий напор.

Если же площадь рабочего сопла не превышает 20 % площа­ди камеры смешения, то соответственно увеличивается объем откачиваемой жидкости и, следовательно, уменьшается разви­ваемый напор. Такие насосы относятся к низконапорным.

Чтобы удовлетворить различным требованиям условий рабо­ты насоса в скважинах (по подачам и напорам), необходимо подобрать сочетания площадей проходных сечений.

Основные фирмы-изготовители выпускают комплекты струй­ных насосов с набором рабочих сопел (насадок) различных раз­меров и несколькими (от 1 до 6) комплектами камер смешения (горловин) для каждой насадки.

Площади поперечных сечений рабочих сопел струйных насо­сов фирм: Kobe, National и Cuiberson изменяются в диапазоне 1,03 — 250,00 мм², площадь камеры смешения этих насосов — 2,84 —1390 мм².

Выбор соотношения размеров рабочего сопла и камеры сме­шения зависит от условий эксплуатации. Зарубежные фирмы наиболее часто используют струйные насосы с соотношением площадей сопла и горловины 0,235 — 0,400.

Малые габаритные размеры и возможность работы струйных насосов при прямой и обратной циркуляции рабочей жидкости позволяют применять различные конструктивные схемы сква­жинного оборудования.

Так, в каталогах фирмы TRJKO Industries, Inc. представлены «свободные» струйные насосы в сочетании с двумя параллель­ными или коаксиальными рядами НКТ, а также с НКТ, уста­новленными на пакере. Оригинально решение, в котором струй­ный насос устанавливается в клапанной камере скважинного газлифтного оборудования.

Все виды струйных насосов могут эксплуатироваться в сква­жинах со значительным искривлением ствола и большим содер­жанием механических примесей и свободного газа в откачивае­мой жидкости.

Струйные насосы могут применяться при освоении скважин по окончании бурения, при очистке призабойной зоны добыва­ющих и нагнетательных скважин, а также при комплексном применении метода создания циклических депрессий — репрессий в сочетании с другими методами воздействия на пласт.

В СКТБ «Недра» ИваноФранковского института нефти и газа [4] с участием конструкторов Калушского завода «Карпат-нефтемаш» была разра­бо­та­на и усовершенствована конструкция, стационарного аппарата, которому присвоен шифр УОС-1 М. В этой конструкции не используются дефицитные цветные ме­таллы и уплотнительные резиновые кольца, а также значитель­но уменьшена материалоемкость. При изготовлении аппарата данной конструкции существенно снижается трудоемкость фре­зерных и токарных работ, упрощается сборка. Струйные аппа­раты указанных конструкций пред­наз­начены для добычи нефти или других жидкостей из скважин, а также для воздействия на пласт. Стационарный струйный аппарат УОС-ДМ состоит из корпуса, камеры смешения с технологической заглушкой, твер­досплавной на­садки, запрессованной в гнездо и шара. Наруж­ный диаметр устройства умень­шен со 107 до 96 мм, длина — с 650 до 460 мм, а масса его составляет 11 кг.

Вставной струйный аппарат УЭОС-1 состоит из корпуса и эжекторного насоса. Эжектируемая из пласта жидкость поступает в ка­меру смешения по каналам корпуса устройства. Конструкция уст­ройства дает возможность устанавливать и извлекать из внутрен­ней полости корпуса эжекторный насос, а также транспортировать его в полости НКТ диаметром не менее 73 мм. Максимальный наружный диаметр эжекторного насоса 55 мм.

Рис. 6.12. Стационарный струйный аппарат УОС-1

 

Эжекторный насос включает в себя хвостовик, корпус, гнездо с запрессованной в него твердосплавной насадкой (соплом), смеситель и наконечник. Эжекторный насос гер­метизируется в корпусе устройства с помощью уплотнительных элементов, выполненных из фторопластового материала или асборезиновой смеси. Уплотнительные элементы и со­единение смесителя с корпусом фиксируются соответственно гайками. Минимальный внутренний диаметр (46 мм) корпуса позволяет пропускать через него глубинные манометры диа­метром до 42 мм автономно или совместно с эжекторным на­сосом. В последнем случае оперативно оценивается создавае­мая депрессия на пласт. Соединение глубинного манометра с эжекторным насосом фиксируется посредством установочного винта.

Функциональные возможности устройства УЭОС-1 по срав­нению с УОС-1 и УОС-1М расширены и позволяют изменять режим воздействия на пласт за счет быстрой замены эжекторно­го насоса без подъема НКТ, замерять создаваемую депрессию на пласт, вводить скважины в эксплуатацию без замены глубинно­го оборудования (при газлифтном способе добычи нефти) [4].

Рис. 6.13. Стационарный струйный аппарат УОС-ДМ

 

Струйный аппарат с попутными рабочими потоками УСДП-1, позволяет совмещать различные виды искусственного воздей­ствия на пласт (кислотное, термокислотное, обработка ПАВ) с циклическим депрессионным воздействием. Применение струй­ного аппарата данного типа становится необходимым в том слу­чае, когда перед созданием многократных мгновенных депрес­сий — репрессий необходимо создать высокое давление на пласт, а прочность обсадной колонны, исходя из расчета на внутрен­нее давление, не позволяет реализовать такой технологичес­кий процесс. УСДП-1 состоит из корпуса и встроенного в него эжекторного насоса. На корпусе устройства установлен запор­ный элемент, который выполнен в виде дифференциальной втулки, перекрывающей каналы для выхода жидкости в затрубное пространство. Втулка фиксируется на корпусе устрой­ства с помощью винта и гайки, а уплотнение достигается за счет колец. Конструкция запорного элемента обеспечивает на­дежное разобщение внутренней полости НКТ и затрубного про­странства.

После создания в затрубном пространстве скважины рас­четного давления втулка перемещается по корпусу устройства в крайнее нижнее положение и открываются каналы для выхо­да жидкости из насоса. Вследствие того, что площадь верхней торцовой части втулки больше площади ее нижней торцовой части, возникает направленная вниз результирующая сила, под действием которой втулка перемещается. В гнезде выходного канала устройства установлен шаровой клапан, предназначен­ный для проверки пакера на герметичность в процессе прове­дения работ с устройством. Эжекторный насос фиксируется в корпусе пробкой. Перед началом работ по очистке призабойной зоны пласта в прямоточный канал устройства через НКТ сбра­сывается шар, после установки которого в гнезде этот канал пе­рекрывается и рабочая жидкость, подаваемая с поверхности на­сосными агрегатами, направляется к соплу насоса. При истече­нии жидкости из сопла в приемной камере устройства и соот­ветственно под пакером создается зона пониженного давления, вследствие чего жидкость эжектируется из подпакерного про­странства и создается депрессия на пласт. Смешанный поток поступает в диффузор и далее по затрубному пространству дви­жется вверх к устью скважины.

Конструктивно устройство выполнено для использования и обсадных колоннах с наружным диаметром 140 мм и более. Максимальный наружный диаметр устройства (108 мм) не пре­пятствует его свободному прохождению в выбранных колон­нах. Благодаря достаточно большому внутреннему диаметру прямоточного канала —26 мм не создаются чрезмерные гид­равлические сопротивления при движении рабочей жидкости. Внутренний диаметр канала для установки струйного насоса — 42 мм дает возможность размещать насос в корпусе и демонти­ровать его при проведении профилактических или ремонтных работ.

Технические данные, характеризующие струйные аппараты, приведены в табл. 6.3 [4].

Следует отметить, что фактическое увеличение отборов за счет установки струйных насосов со временем повышалось.

В течение всего периода эксплуатации струйные насосы ред­ко простаивают благодаря строгому выполнению налагаемых фирмами изготовителями ограничений по максимальной мощ­ности привода, поддержанию в заданных пределах рабочего дав­ления.

В настоящее время совершенствуются схемы инжекторов, по­вышается гибкость рабочих характеристик, расширяется область применения оборудования для эксплуатации струйных насосов.

Известны скважинные насосные установки, которые со­держат инжектор и лабиринтный канал, образованный маг­нитными кольцами, установленными на внутренней поверх­ности камеры смешения и наружной поверхности диффузо­ра. При работе струйного насоса часть жидкости перетекает по лабиринтному каналу обратно в камеру смешения, прохо­дя при этом магнитную обработку, благодаря чему снижает­ся отложение солей, содержащихся в пластовой жидкости, на поверхности установки. Такое решение расширяет область применения струйных насосов, и увеличивает МРП работы скважины.

Наряду с тем, существует скважинная насосная установка, содержащая струйный насос и устройства для нагнетания теп­лоносителя, т.е. перегретого пара в продуктивный пласт сква­жины. Эта установка предназначена для периодической эксп­луатации скважин с последующей обработкой пласта и НКТ теплоносителем.

 

Таблица 6.3