Штанговый глубинный насос принцип работы

Штанговый глубинный насос – это ключевой элемент добычи жидкости из скважин. Его конструкция позволяет поднимать нефть, воду или газоконденсатные смеси с больших глубин благодаря возвратно-поступательному движению плунжера. Разберёмся, как это работает.

Основной механизм насоса состоит из цилиндра, плунжера и клапанов. При ходе вверх всасывающий клапан открывается, заполняя полость жидкостью. При опускании плунжера нагнетательный клапан срабатывает, выталкивая жидкость вверх по трубам. Цикл повторяется, обеспечивая непрерывную подачу.

Эффективность системы зависит от согласованности работы наземного привода и подземного узла. Привод создаёт усилие через колонну штанг, передавая его плунжеру. Важно правильно подобрать длину хода и частоту качаний, чтобы избежать перегрузок и преждевременного износа.

Для стабильной работы насоса учитывают вязкость жидкости и глубину скважины. Например, в высоковязких средах увеличивают зазор между плунжером и цилиндром, снижая сопротивление. Регулярный мониторинг давления и дебита помогает вовремя обнаружить износ клапанов или утечки.

Устройство штангового насоса и его основные компоненты

Штанговый глубинный насос состоит из нескольких ключевых элементов, каждый из которых выполняет конкретную функцию. Основные компоненты:

• Цилиндр насоса – металлическая труба, внутри которой перемещается плунжер. В нижней части установлен всасывающий клапан.
• Плунжер – подвижный стержень с нагнетательным клапаном. При движении вверх создает разрежение для забора жидкости, при движении вниз – выталкивает ее в колонну труб.
• Штанги – соединенные между собой стальные стержни, передающие возвратно-поступательное движение от привода к плунжеру.
• Клапаны – всасывающий и нагнетательный. Изготавливаются из износостойких материалов для предотвращения протечек.
• Устьевая арматура – герметизирует устье скважины и обеспечивает отвод добываемой жидкости.

Для повышения надежности цилиндр и плунжер изготавливают из легированной стали с хромированным покрытием. Диаметр плунжера подбирают в зависимости от дебита скважины – от 28 до 95 мм.

При сборке насоса проверяют:

1. Соосность цилиндра и плунжера – зазор не должен превышать 0,05 мм.
2. Герметичность клапанов – давление опрессовки не менее 15 МПа.
3. Прочность соединений штанг – крутящий момент при затяжке от 500 до 1200 Н·м.

Как работает привод насоса и передача усилия на плунжер

Принцип работы привода

Привод штангового глубинного насоса преобразует вращательное движение двигателя в возвратно-поступательное. Основные компоненты:

Кривошипно-шатунный механизм передает усилие через балансирную траверсу. Шатун соединяет кривошип с траверсой, создавая качательное движение.

Регулировка хода выполняется изменением положения кривошипа на валу. Чем дальше от центра – тем длиннее ход плунжера.

Передача усилия на плунжер

Усилие от балансира передается через штанговую колонну:

1. Канатная подвеска компенсирует неравномерность нагрузки, снижая ударные воздействия на устьевой сальник.

2. Штанги соединяются резьбовыми муфтами и передают усилие напрямую плунжеру. Диаметр штанг подбирают исходя из глубины скважины и дебита.

3. Плунжер движется внутри цилиндра насоса, создавая разрежение на всасывающем ходе и давление – на нагнетательном.

Для снижения износа проверяйте соосность штанг и центровку сальникового узла каждые 500 моточасов.

Фазы хода плунжера: всасывание и нагнетание

Работа штангового глубинного насоса основана на двух ключевых фазах: всасывании и нагнетании. Плунжер, двигаясь внутри цилиндра, попеременно создает разрежение и давление, обеспечивая подъем жидкости на поверхность.

Фаза всасывания: При движении плунжера вверх в цилиндре образуется разрежение. Всасывающий клапан открывается под действием разницы давлений, и жидкость из скважины поступает в рабочую камеру. Скорость подъема плунжера влияет на эффективность заполнения: слишком быстрое движение может привести к кавитации.

Фаза нагнетания: При опускании плунжера давление в цилиндре возрастает. Всасывающий клапан закрывается, а нагнетательный – открывается, вытесняя жидкость в колонну насосных труб. Оптимальный диаметр плунжера и герметичность клапанов определяют производительность системы.

Для стабильной работы проверяйте износ уплотнений плунжера и клапанов. Регулярная замена изношенных деталей предотвращает потери давления и снижение дебита скважины. Контролируйте частоту ходов, чтобы избежать перегрузки оборудования.

Роль клапанов в работе насосной установки

Клапаны в штанговом глубинном насосе контролируют направление потока жидкости и предотвращают обратный ход. Без них система не сможет поднимать жидкость на поверхность.

• Всасывающий клапан открывается при движении плунжера вниз, пропуская жидкость в цилиндр.
• Нагнетательный клапан срабатывает при подъеме плунжера, направляя жидкость в колонну труб.

Проверяйте клапаны каждые 3-6 месяцев. Изношенные детали снижают КПД насоса на 15-30%.

1. Отключите насос и стравите давление.
2. Извлеките клапаны для визуального осмотра.
3. Замените элементы с трещинами или деформацией седла.

Для вязких жидкостей выбирайте клапаны с увеличенным проходным сечением. Это уменьшит гидравлическое сопротивление и продлит срок службы узла.

Влияние глубины скважины на производительность насоса

Глубина скважины напрямую определяет нагрузку на штанговый глубинный насос. Чем глубже скважина, тем выше сопротивление при подъеме жидкости, что снижает КПД оборудования. Например, при глубине от 500 до 1000 метров производительность насоса падает на 15-25% из-за увеличения потерь на трение в колонне штанг.

Для компенсации потерь выбирайте насосы с увеличенным диаметром плунжера (от 32 мм) и регулируемой частотой ходов. Это позволяет сохранить стабильную подачу даже на глубинах свыше 1200 метров. Оптимальная скорость откачки для глубоких скважин – 3-5 ходов в минуту.

Учитывайте вязкость жидкости: при перекачке тяжелых нефтей с глубины более 800 метров используйте насосы с усиленными штангами из стали марки 20Н2М. Это предотвращает обрывы и уменьшает износ оборудования.

Регулярно проверяйте герметичность труб и состояние клапанов – на больших глубинах даже незначительные утечки снижают производительность на 30-40%. Для мониторинга устанавливайте датчики давления на устье и забое скважины.

При проектировании системы рассчитывайте баланс между глубиной, дебитом скважины и мощностью насоса. Например, для скважины глубиной 1500 метров с дебитом 20 м³/сутки подойдет насос НГН-2-44 с приводом мощностью 15 кВт.

Типовые неисправности и способы их устранения

При обрыве штанг проверьте целостность резьбовых соединений и состояние металла. Замените поврежденные штанги, используя динамометрический ключ для контроля затяжки.

Если насос не качает жидкость, возможные причины:

• Забитый фильтр – промойте или замените фильтрующий элемент.
• Износ клапанов – разберите насосную секцию, установите новые шарики и седла.
• Низкий уровень жидкости в скважине – проверьте динамический уровень, при необходимости опустите насос глубже.

При повышенном износе цилиндровой группы чаще всего виноваты абразивные частицы в жидкости. Установите дополнительные фильтры на входе или используйте цилиндры с износостойким покрытием.

Для устранения течи в сальниковом уплотнении:

1. Остановите насос и сбросьте давление.
2. Подтяните сальниковую набивку ключом на 1/4 оборота.
3. При продолжающейся течи замените сальниковую набивку на новую из графитового волокна.