Опыт эксплуатации золотниковых клапанов в УЭЦН и ШГН

Опыт эксплуатации золотниковых клапанов в УЭЦН и ШГН

А.К. ПОНОМАРЕВ, к.т.н., технический директор , ООО «РАМ»
В.В. МОИСЕЕВ, председатель Совета директоров ООО «ПолимерРесурс»
Е.В. РЫЖОВ, к.т.н., генеральный директор, ООО «РАМ»
В скважинных штанговых глубинных насосах основными узлами являются всасывающий и нагнетательный клапаны. От их состояния зависит эффективность работы насосной установки.
В основном в выпускаемых насосах используются клапаны шаровой конструкции. Запорный элемент представляет собой классическую сферу, но технология изготовления шара имеет многоступенчатое исполнение. Износостойкость шаров достигается за счет применения специальных материалов и термообработки.

Работоспособность шарового клапанного узла низка, так как контактное касание происходит по линейному принципу. Сфера, вписанная в конус, представляет по линии касания круг. При линейной герметизации малейшее несовпадение с идеальными геометрическими формами приводит к появлению зазоров между контактирующими элементами. Через эти зазоры происходят утечки откачиваемой пластовой жидкости.
Надежность шарового клапана снижается под действием коррозии и при малейшем износе. Поскольку откачиваемая жидкость имеет высокую коррозионную активность, добиться надежной работы шарового клапанного узла практически невозможно. Поэтому отказы насоса из-за износа клапанов и износа плунжерной пары составляют 30% от общего количества отказов скважинного оборудования.
Попытки применения клапанной пары пробкового типа, разработанного в УГНТУ, не получили широкого распространения [1]. Аналогичные недостатки шарового обратного клапана, используемого в УЭЦН, приводят при временных остановках погружного электродвигателя к возникновению турбинного вращения насоса в обратном направлении. Поэтому повторный запуск «ПЭД» невозможен из-за перегрузки по току до полной его остановки.
При этом потеря производительности насосной установки в течение 2-х часов простоев по этой причине и сумма убытков сопоставимы со стоимостью обратного клапана. Кроме того, невозможно достоверно определить герметичность колонны труб НКТ при опрессовках.
Недостатки шаровых клапанов проявляются и при увеличении угла наклона скважины свыше 70% из-за невозможности посадки шара в седло, что приводит к одностороннему его износу.
Учитывая изложенное, были разработаны клапаны золотникового типа взамен применяемых шаровых клапанов (патент на полезную модель №69186) как в ШГН, так и в УЭЦН, обладающие повышенной 2-ступенчатой герметизацией, высоким ресурсом за счет увеличения рабочей площади контактирующих пар и возможностью применения в скважинах с любым углом наклона, а также в горизонтальных скважинах благодаря наличию направляющего хвостовика.
Конструкция клапана (рис. 1) включает седло 1 с отверстиями 15 для прохода пластовой жидкости и направляющим отверстием 14 для хвостовика 13, установленного в корпусе 2.
Золотник образован набором стальных колец 5, образующих запорную пару с внутренней поверхностью седла.
Кольца 5 подвижны в осевом и радиальном направлении и уплотнены с поверхностью корпуса 2 эластичными кольцами 6 круглого поперечного сечения, смещенных эксцентрично попарно относительно друг друга на угол 360°/n, (где n — число пар колец).
Эксцентричное смещение эластичных колец достигается за счет выполнения на поверхности корпуса 4-х кольцевых пазов с заданным эксцентриситетом (0,2ё0,5 мм).
Для облегченного входа золотника с набором уплотнительных эксцентрично смещенных колец в седло на входе седла выполнена коническая фаска, соответствующая коническому бурту на корпусе 2. Таким образом, нулевой зазор в седле образуют упруго поджатые эластичными кольцами 6 стальные кольца 5, которые исключают возможность поступления мехпримесей в запорную пару за счет «бреющего» эффекта, а также осаждения солей и парафина на поверхности седла.
Причем нулевой зазор поддерживается и при износе стальных колец до размера, равного удвоенному эксцентриситету (2е). Наличие конической фаски на седле и конического бурта на корпусе золотника увеличивает герметичность запорной пары при контакте конических поверхностей в закрытом положении клапана.
Клапан золотникового типа обладает высокой ремонтопригодностью путем замены эластичных и стальных колец нового ремонтного размера, соответствующего размеру прошлифованного отверстия седла.
Золотниковые клапаны КОЗ-73 (Норма) (рис. 2) прошли промысловые испытания с УЭЦН производительностью до 250м3/сут. с УЭЦН производительностью до 250 м3/сут. на 5-ти скважинах Игольско-Талового месторождения ОАО «Томскнефть» ВНК и подтвердили высокую герметичность при незапланированных остановках ПЭД, что подтверждено отсутствием «турбинного» вращения и набором герметичности колонны НКТ за 15 сек. после его остановки (табл. 1).
Аналогичные результаты получены при эксплуатации клапанов КОЗ-73 (Норма) в НГДУ «Альметьевскнефть» на 6-ти скважинах Ромашкинского месторождения и НГДУ «Черемшаннефть» (табл. 2).
Готовность применения высокотехнологичных клапанов КОЗ-73 в УЭЦН подтверждена запросом и поставкой их ОАО «Центрофорс» (20 шт.) и ЗАО «Новомет» в количестве 10 шт.
В ООО «РАМ» изготовлены и прошли эксплуатационные испытания клапаны золотниковые КЗН-44 (Норма-44) взамен шариковых на ШГН в НГДУ, «Нурлатнефть», НГДУ «Прикамнефть», НГДУ «Ямашнефть», ОАО «Татнефть» в количестве 16 шт.
Для проведения анализа эффективности работы золотниковых клапанов была взята информация из КИС АРМИТС по ремонтам скважины, промывкам и простоям за период 1998 — 2008 гг.
Анализ по скважинам №3174, 1016, 608М в НГДУ «Прикамнефть» показал рост МРП. Промывки скважин не было ни до, ни после внедрения золотниковых клапанов. Простоев после внедрения и эксплуатации свыше 254 суток не было. Скважины работают в тяжелых условиях: динамический уровень на приеме насоса. Коэффициент Кпод.нас.=0,5ё0,6. В скважине №608М очень вязкая нефть, но, несмотря на это, ШГН работоспособен и можно утверждать, что золотниковые клапаны обладают высокой пропускной способностью на вязкой нефти, а также быстрее срабатывают на закрытие, так как вес золотника на 25% больше веса шарика.
В НГДУ «Нурлатнефть» после замены шариковых клапанов на золотниковые отмечено увеличение подачи в период с 05.06.07 по 30.01.08 в среднем на 15%, на скважинах №1390, 3014, 5891, 176, 9200 и 98, что соответствует стоимости дополнительно добытой нефти на сумму около 500 000 $/год.
По результатам промысловых испытаний золотниковых клапанов заводы-производители штанговых насосов ЗАО «ЭЛКАМ-нефтемаш», ЗАО «Пермская компания нефтяного машиностроения», ОАО «Ижнефтемаш» одобрили применение данных клапанов в выпускаемых ими насосах.
Для изготовления клапана не требуется дефицитного твердого сплава, а упрочнение поверхности седла и колец обеспечивается цементацией, азотированием, борированием и др. методами.
ООО «РАМ» готово поставлять золотниковые клапаны по запросу потребителей.
Производство клапанов может быть организовано на любом машиностроительном предприятии по лицензионному соглашению, заключенному с патентообладателями.
Клапаны золотниковые имеют сертификат соответствия по ТУ 3665-002-74636481-2007 и соответствуют требованиям нормативных документов: ГОСТ 51896-2002 р.р. 6-8, ГОСТ 12.2.136-98, ГОСТ 12.2.003-91.
Помимо описанных золотниковых клапанов ООО «РАМ» производит следующее оборудование:
1. Агрегат насосный электрогидроприводный диафрагменный АНД-400 (для перекачки нефти и нефтепродуктов) производительностью 5 — 16 м3/час. с напором до 2,5 МПа.
2. Насос погружной электрогидроприводной диафрагменный (ЭГПДН) для добычи нефти из малодебитных скважин и добычи высоковязкой нефти. Насосный агрегат имеет низкое энергопотребление по сравнению с ШГН со станком-качалкой — примерно 6 кВт на 1 тонну пластовой жидкости, поднятой с глубины 3000 м, и как следствие — высокий коэффициент полезного действия > 60% во всем диапазоне подач.
3. Гидроредуктор винтового насоса с погружным электродвигателем для добычи вязкой нефти.
4. Гидрозащита ПЭД поршневого типа на подшипниках качения.
5. Серия золотниковых клапанов для штанговых насосов различных диаметров повышенной герметичности и ресурса.
ООО «РАМ» также проводит работы по алмазно-кластерному покрытию деталей, например, деталей клапанов, роторов винтового насоса, деталей гидромотора.
Данный вид покрытия обеспечивает высокую износостойкость, что в 4 — 6 раз выше по сравнению с обычным твердым хромированием, и имеет более высокую (в 2 — 2,5 раза выше) коррозионную стойкость.
Литература
1.    М.Л. Галимуллин. Разработка технических средств повышения работоспособности скважинных плунжерных насосов. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. // Уфа / УФГТУ. 2004. С. 13 — 21.

ООО «РАМ»
141090, М.О., г. Юбилейный
ул. Пионерская, дом 1/4
Тел/факс: (495) 544-27-2
E-mail: mail@ramtech.su